Тематическое планирование учебного материала курса Полимеры вокруг нас

Тематическое планирование учебного материала курса Полимеры вокруг нас. Занятие 1. Введение. Общие понятия о низкомолекулярных и высокомолекулярных соединениях ВМС . Уникальные свойства полимеров. Природные и синтетические полимеры.

Форма занятия лекция. Образовательный продукт таблица Природные, синтетические и искусственные полимеры. Занятие 2. Основные понятия мономер, структурное звено, степень полимеризации, молекулярная масса. Классификация полимеров по строению макромолекулы, по геометрии скелета, по характеру расположения звеньев, по природе атомов основной цепи, по характеру размещения элементарных звеньев, по величине деформации, по способу переработки. ВМС в изделии. Форма занятия лекция.

Образовательный продукт опорный конспект, схема Классификация полимеров. Занятие 3. Реакция полимеризации. Радикальная полимеризация. Фотохимическое инициирование. Кинетика и механизм радикальной полимеризации. Форма занятия лекция. Образовательный продукт опорный конспект. Занятие 4. Ионная полимеризация. Получение и свойства ПЭНД И ПЭВД. Реакция поликонденсации. Форма занятия лекция, групповая работа. Образовательный продукт опорный конспект. Занятие 5. Физические свойства. Кристаллические и аморфные области в полимере.

Три физических состояния аморфных полимеров. Механические свойства полимеров. Форма занятия лекция Образовательный продукт опорный конспект, тезисы. Занятие 7. Природные, синтетические, искусственные волокна и их характеристика. Получение вискозного и ацетатного волокон. Производство капрона. Форма занятия лекция. Образовательный продукт опорный конспект, таблица Волокна. Занятие 8. Понятие пластмасс. Термопласты. Реактопласты. Форма занятия экскурсия.

Образовательный продукт отчёт об экскурсии. Занятие 9. Практическая работа 1 Исследование свойств синтетических волокон в сравнении с натуральными и искусственными. Образовательный продукт отчёт. Занятие 10. Практическая работа 2 Исследование свойств пластмасс. Образовательный продукт отчёт. Занятие 11 - 12. Получение и применение наиболее важных синтетических и природных полимеров. Форма занятия конференция. Образовательный продукт доклад. Введение. В зависимости от величины относительной молекулярной массы выделяют 3 группы веществ 1. Низкомолекулярные соединения НМС . 2. Смолы. 3. Высокомолекулярные соединения ВМС . Если относительная молекулярная масса соединения ниже примерно 500, то такие соединения рассматривают как НМС. От 500 до примерно 5000 - как смолы или олигомеры а выше 5000 - как ВМС или полимеры.

Полимерами называют вещества, молекулы которых состоят из весьма большого числа повторяющихся точно или приближенно звеньев. Молекулы ВМС называют макромолекулами.

Естественно, границы между выше названными соединениями достаточно условны физическим критерием отнесения соединения к ВМС является невозможность обнаружить изменение свойств в результате присоединения или потери еще одного или нескольких звеньев. Существуют различия в свойствах НМС и ВМС. Макромолекулы ВМС являются нелетучими, в отличие от молекул НМС. Практически все полимеры имеют цепное строение, то есть длина макромолекулы много больше диаметра. Уникальные свойства полимеров - анизотропия свойств кристаллических, жидко - кристаллических и аморфных полимеров приводит к тому, что на практике полимеры способны образовывать волокна и пленки очень высокая эластичность и вязкоупругость растворы полимеров, в отличие от обычных при малых концентрациях вещества 1 - 2 , теряют текучесть.

Все ВМС по происхождению делятся на 1. Природные 2. Синтетические 3. Искусственные К природным полимерам относятся целлюлоза, белки, крахмал, нуклеиновые кислоты, натуральный каучук, графит, силикаты.

К синтетическим полимерам относятся полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид, капрон, лавсан, каучуки, стекловолокно. Синтетические полимеры получают при помощи реакций полимеризации и поликонденсации таких веществ, которых нет в природе. К искусственным полимерам относятся ацетилцеллюлоза, нитроцеллюлоза, резина. Искусственные полимеры получают из природных полимеров, используя химические методы, которые не затрагивают не меняют главную цепь. Тема 1. Строение полимеров Низкомолекулярное вещество, из которого по реакциям полимеризации или поликонденсации получают полимеры, называют мономером.

Например, мономером политетрафторэтилена - CF2 - CF2 - n является тетрафторэтилен CF2 CF2 . Повторяющийся участок структуры молекулы полимера носит название структурного звена. Обычно в качестве такого звена выбирают фрагмент, соответствующий одной молекуле мономера. Например, в структуре политетрафторэтилена - CF2 - CF2 - n в качестве структурного звена рассматривают группу - CF2 - CF2 а не - CF2 Среднее число структурных звеньев в молекуле полимера называется степенью полимеризации поликонденсации. Это число может варьироваться в очень широких пределах - от тысяч до десятков миллионов.

При этом следует всегда помнить, что речь идет именно о средней величине. В веществе - полимере имеются молекулы с разной молекулярной массой. К ним неприменим закон постоянства состава, поскольку неизбежные колебания состава молекул на одно, десять, сто некоторое не очень большое число звеньев практически не влияют на свойства. Например, n CH2 CH УФ - свет - СН2 - СН - n СН3 СН3 Число n в формуле полимера - является степенью полимеризации.

Понятие молекулярная масса для полимеров имеет некоторые особенности. При полимеризации в макромолекулы соединяется различное число молекул мономера в зависимости от того, когда произойдет обрыв растущей полимерной цепи. Вследствие этого образуются макромолекулы разной длины и, следовательно, разной массы, поэтому обычно указываемая для этого вещества молекулярная масса - это только среднее ее значение.

Для полимеров существует средневесовая 1 молекулярная масса и среднечисловая молекулярная масса 2 . Мw У qw i Mi У q i Mi2 У qn i Mi 1 Mn У qn i Mi У niMi У ni 2 ВМС классифицируют I. в зависимости от строения макромолекулы - молекулярные, состоящие из хотя и больших, но отдельных линейных или разветвленных молекул полиэтилен пространственные СН2 - СН2 - n представляющие собой одну гигантскую молекулу резина. II. по геометрии скелета макромолекулы А. цепные полимеры линейные полимеры Б. разветвленные полимеры содержат боковые ответвления от нескольких атомов до больших цепей - древообразование - звездообразование - гребнеобразные В. сшитые полимеры Г. лестничные Д. спирополимеры III. По характеру расположения звеньев А. гомоцепные полимеры один тип мономеров Б. сополимеры несколько типов мономеров - статистические сополимеры АААВВАВВВАА - чередующиеся сополимеры АВАВАВ - блок сополимеры полимеры, линейные молекулы которых состоят из чередующихся блоков одного или нескольких сополимеров АААВВВ - привитые сополимеры состоят из последовательностей мономерных звеньев одного типа и боковых ответвлений другого типа А ВВВ ВВВ IV. В зависимости от того из каких атомов построена цепь А. гомоцепные полимеры полиэтилен - СН2 - СН2 - n В. гепироцепные полимеры цепь состоит из атомов О, S, C и т.д. V. По характеру размещения элементарных звеньев в макромолекулярной цепи различают А. регулярные В. нерегулярные.

Регулярность строения выражается в правильно повторяющемся расположении атомов или их групп в цепи. Например, молекулы мономера типа СН2 СН - R могут присоединяться друг к другу с образованием макромолекулярной цепи двумя путями.

Присоединение может идти по типу Ь, Ь - голова к голове и в, в - хвост к хвосту nвCH2 ЬCH - вCH2 - ЬCH - ЬCH - вCH2 - R R R Или по типу Ь, в - голова к хвосту nвCH2 ЬCH - вCH2 - ЬCH - вCH2 - ЬCH - R R R Заместители R в макромолекулярной цепи могут занимать различное положение.

Пространственное расположение направленность их также может быть различным. С этим связано понятие стереорегулярности полимеров, которое определяется чередованием заместителей R в пространстве с определенной периодичностью.

Среди стереорегулярных полимеров различают 1. Регулярные полимеры а. полимеры синдиотактической структуры - боковые группы расположены последовательно по обе стороны от главной цепи б. полимеры изотактической структуры - все боковые группы - заместители расположены по одну сторону от главной макромолекулярной цепи 2. К стереонерегулярным полимерам относятся полимеры атактической структуры - расположение боковых групп - заместителей беспорядочно VI. Материалы изготовленные из полимеров подразделяют на А. эластомеры каучуки, резина Б. пластомеры пластики В. волокна целлюлоза. VII. в зависимости от способа переработки ВМС в изделии А. термопласты перерабатываются расплавленными Б. реактопласты для переработки требуют химической модификации 1, 19, 20 . Тема 2. Синтез полимеров Существуют 2 основных способа получения полимеров - реакция полимеризации и реакция поликонденсации.

Реакция полимеризации - это химический процесс соединения множества исходных молекул низкомолекулярного вещества мономера в крупные молекулы макромолекулы полимера, не сопровождающийся выделением побочных низкомолекулярных веществ Н2О, HCl. В реакцию полимеризации вступают ненасыщенные мономеры, у которых двойная связь находится между углеродными атомами или между углеродом и любым другим атомом n H2C CH2 этилен H2C CH2 n Как видно из примера, реакция полимеризации не приводит к изменению элементного состава мономера.

Как и любая другая химическая реакция, полимеризация начинается с разрыва одних химических связей и возникновения других.

Такой разрыв может происходить или по гетеролитическому, или гомолитическому механизму. В первом случае образуются ионы, во вротом - свободные радикалы.

Полимеризация, протекающая через образование ионов называется ионной, а идущая с участием свободных радикалов - радикальной. Таким образом, радикальная и ионная полимеризация различаются природой активного центра, начинающего и ведущего макромолекулярную цепь. Полимеризация мономеров протекает по цепному механизму. I. Радикальная полимеризация Активным центром цепной полимеризации является свободный радикал. Реакция радикальной полимеризации складывается из трех основных стадий инициирования, роста цепи и ее обрыва.

А. Инициирование образование активного центра. На этой стадии происходит образование свободных радикалов R которые легко взаимодействуют с различными непредельными соединениями мономерами. R? СН2 СН2R R CH2 - CHR В зависимости от способа образования свободных радикалов, начинающих реакционную цепь, различают несколько видов полимеризации термическую, фотохимическую, радиационную и инициированную. Одним из наиболее распространенных и часто применяемых на практике методов полимеризации является инициированная полимеризация.

Она активируется соединениями, которые легко распадаются на свободные радикалы в условиях полимеризации. Такие соединения называют инициаторами полимеризации. Они содержат в своих молекулах неустойчивые химические связи О - О, N - N, S - S, O - N и др которые разрываются при гораздо меньшей энергии, чем это требуется для образования свободного радикала из молекулы мономера при ее активации. Инициаторами могут быть органические пероксиды и гидропероксиды, некоторые азо - и диазосоединения и другие вещества.

С6Н5 - СО - О - О - СО - С6Н5 2 С6Н5 - СОО 2 С6Н5 Скорость распада инициатора на свободные радикалы можно увеличить не только повышением температуры, но и добавкой в реакционную среду специальных веществ - промоторов и активаторов. Б. Рост цепи. Реакция роста цепи состоит в многократном присоединении молекул мономера к усложняющемуся каждый раз радикалу с сохранением свободного электрона в концевом звене растущей макромолекулы.

Другими словами, растущая макромолекулярная цепь должна оставаться в период ее роста свободным макрорадикалом. R? СН2 - СНR СН2 СНR R СН2 - СНR - СН2 - СНR R CH2 - CHR - n 1 - CH2 - CHR и т.д. В результате таких последовательных реакций присоединения двойная связь мономера превращается в простую, что сопровождается выделением энергии. В. Обрыв цепи. Конец роста цепи связан с исчезновением свободного электрона у конечного звена макромолекулы. Чаще всего это происходит в результате соединения между собой двух радикалов реакция рекомбинации, что приводит к возникновению углеводородной цепи, не способной к дальнейшему росту.

R CH2 - CHR - n - CH2 - CHR R СН - СН2 - R? R CH2 - CHR - n - CH2 - CHR - СН2 - R? II. Ионная полимеризация Ионная полимеризация протекает с образованием либо иона карбония, либо карбаниона, с последующей передачей по росту цепи положительного или отрицательного заряда. В зависимости от этого различают катионную карбониевую и анионную карбанионную полимеризацию.

Ионная полимеризация, как и радикальная цепной процесс. Ионная полимеризация проходит в присутствии катализаторов, способствующих образованию ионов. Поэтому ионная полимеризация называется также каталитической полимеризацией. Процесс ионной полимеризации протекает также в три стадии. II. 1. Катионная карбониевая полимеризация. Для проведения такой полимеризации используют катализаторы, обладающие электроно-акцепторными свойствами кислоты, катализаторы Фриделя - Крафтса AlCl3, BF3 и др Полимеризацию проводят в присутствии специальных добавок - сокатализаторов вода, кислоты, другие вещества, являющиеся донорами электронов. А. Инициирование.

На этой стадии происходит взаимодействие катализатора AlCl3 и сокатализатора НВ с образованием комплексного соединения, которое проявляет свойства сильной кислоты AlCl3 НВ AlCl3В - Н Эта кислота, отдавая протон молекуле мономера, превращает его в карбониевый ион, уравновешенный комплексным противоионом ионная пара AlCl3В -Н СН2 СНR СН3 - СНRAlCl3В- Сокатализаторами могут быть те вещества, которые взаимодействуют с катализаторами.

Роль сокатализатора во многом зависит от характера реакционной среды. Большое значение имеет характер заместителя в молекуле иономера. Электронодонорные заместители R создают избыток электронной плотности на противоположном конце молекулы мономера и этим способствуют присоединению протона или карбатиона. Б. Рост цепи. В процессе роста цепи полярные молекулы мономера присоединяются к растущему иону, внедряясь между макрокарбкатионом со стороны его заряженной части и противоионом AlCl3В- СН2 СНR СН3 - СНR СН3 - СНR - СН3 - СНR AlCl3В- СН3 - СНR CH2 - CHR - n - CH2 - CHR AlCl3В- В. Обрыв цепи. Рост цепи прекращается при отщеплении регенерации от растущего иона комплексной кислоты или катализатора СН3 - СНR CH2 - CHR - n - CH2 - CHR AlCl3В- СН3 - СНR CH2 - CHR - n - CH2 - CHRB СН3 - СНR CH2 - CHR - n - CH CHR В результате катализатор снова выделяется в свободном виде. II. 2. Анионная карбанионная полимеризация.

Катализаторами этой полимеризации служат электроннодонорные вещества - основания, щелочные металлы, гидриды металлов, амид калия, а также металлорганические соединения.

Механизм анионной полимеризации в присутствии катализатора KNH2 в среде жидкого аммиака. А. Инициирование. KNH2 - К NH2- H2N - CH2 - CHRk Электроноакцепторные заместители R в молекуле мономера способствуют присоединению аниона. Оттягивая электронную плотность, они создают дефицит электронов на конце молекулы, к которому присоединяется отрицательно заряженная группа NH2 Б. Рост цепи. H2N - CH2 - CHR H2N - CH2 - CHR - CH2 - CHRK H2N CH2 - CHR - n 1 - CH2 - CHRK Как и при каталитической полимеризации, мономер занимает место между макрокарбанионом и противоионом.

В. Обрыв цепи. Прекращение роста макромолекулярной цепи может произойти в результате ее взаимодействия с растворителем H2N CH2 - CHR - n 1 - CH2 - CHRK HNH2 H2N CH2 - CHR - n 1 - CH2 - CH2R KNH2 Особое значение получила анионная полимеризация в присутствии металлорганических катализаторов. Из этих катализаторов наиболее высокой полимеризационной активностью обладают катализаторы Циглера - Натта - комплексы триэтилалюминия с солями титана Al C2H5 3 TiCl4 или TiCl3 . Эти катализаторы позволили полностью изменить технологию получения многих полимеров.

Например, для синтеза полиэтилена без таких катализаторов требуются довольно жесткие условия давление 150-200 МПа, 3000С . Используя же катализаторы Циглера - Натта, полиэтилен получают при давлении, не превышающем 1МПа, и температуре, которая не выше 600С. Полиэтилен, синтезированный без этих катализаторов, называют полиэтиленом высокого давления - ПЭВД, в противоположность полиэтилену низкого давления - ПЭНД с катализатором Циглера -Натта. Свойства полиэтилена, полученного при низком давлении, отличаются от свойств полиэтилена, полученного при высоком давлении. ПЭНД прочнее и жестче, его плотность выше, а ПЭВД - более эластичный и гибкий, при растяжении образует прозрачную пленку.

Реакция поликонденсации - это химический процесс соединения исходных молекул мономера в макромолекулы полимера, идущий с образованием побочного низкомолекулярного продукта чаще всего воды. В реакцию поликонденсации вступают мономеры, содержащие в молекулах функциональные группы - ОН СООН, галогены и др Мономеры, участвующие в реакциях поликонденсации, должны быть не менее чем бифункциональными HOOC - CH2 4 - COOH HNH - CH2 6 - NH2 - HOOC - CH2 4 - CO - NH - CH2 6 - NH2 H2O С помощью реакций поликонденсации получают полиэфиры, полиамиды, полиуретаны, полиакрил и т. д. Вопросы и упражнения 1. Какие вы знаете основные методы получения полимеров? 2. Какая реакция называется полимеризацией? Приведите примеры такой реакции. 3. Какие мономеры могут вступать в реакцию полимеризации? 4. Какие разновидности полимеризации вы знаете? 5. Какая частица является активным центром радикальной полимеризации? 6. Из каких трех стадий состоит процесс цепной полимеризации? 7. Чем отличается радикальная полимеризация от ионной? 8. Какие вещества катализируют катионную полимеризацию? 9. Какие катализаторы используют при анионной полимеризации? 10. Что представляет собой катализатор Циглера - Натта? 11. Какая реакция называется поликонденсацией? Чем она отличается от реакции полимеризации? 12. Какие мономеры могут вступать в реакцию поликонденсации? Тема 3. Физические свойства полимеров ВМС находятся только в двух агрегатных состояниях - твердом и жидком.

По фазовому состоянии.

Они могут быть аморфными или кристаллическими.

Аморфное строение имеют полимеры, макромолекулы которых расположены неупорядоченно, хаотично.

Такое расположение характерно для макромолекул нерегулярного строения. Например, аморфными являются атактический полипропилен, многие каучуки. Аморфные полимеры - мягкие, эластичные материалы. Они могут существовать в следующих физических состояниях - вязкотекучем, высокоэластическом и стеклообразном.

Вязкотекучие полимеры, имеющие аморфное строение например, низкомолекулярный полиизобутилен, фенолформальдегидные полимеры - резолы, необратимо изменяют свою форму под воздействием даже незначительных механических нагрузок. Высокоэластические полимеры, имеющие в ненапряженном состоянии аморфное строение например, каучуки и резины, подвергаются обратимой деформации под воздействием небольших нагрузок. При нагревании многие твердые полимеры полистирол, поливинилхлорид и др. становятся высокоэластическими.

Стеклообразные полимеры - твердые аморфные полимеры, не успевшие при охлаждении закристаллизоваться, но потерявшие текучесть. Они имеют аморфное или кристаллическое строение и мало изменяют свою форму даже при больших механических нагрузках. После устранения действия последних они способны восстанавливать свою первичную форму. Полимеры, которые переходят из высокоэластичного состояния в стеклообразное при температурах ниже комнатной, относятся к эластичным, а при более высоких температурах - к пластикам.

Кристаллическое строение имеют полимеры только стереорегулярной структуры. Они характеризуются упорядоченным расположением макромолекул. Кристаллические полимеры обычно являются пластиками. В отличие от обычных кристаллических твердых веществ кристаллические полимеры не состоят из одних кристаллов. Даже само понятие кристалл для полимера несколько отличается от обычного. У кристаллических полимеров имеются области зоны, в которых отдельные участки макромолекул имеют плотную упаковку, напоминающую пластины ромбовидной формы - своеобразные кристаллы.

Эти области соседствую с основной аморфной массой полимера. Таким образом, аморфная и кристаллическая части состоят из одинаковых макромолекул, но в аморфной части они расположены беспорядочно, а в кристаллической - плотно упакованы за счет упорядоченного расположения. Следует однако заметить, что в полимере между крайними формами строения - аморфной и кристаллической - существует много различных форм упорядоченности фибриллы, монокристаллы, сферолиты и т. д. и неупорядоченности аморфные пачки, глобулы и пр Итак, основным условием кристаллизации полимеров является стереорегулярное строение их макромолекул.

Любое нарушение регулярности препятствует процессу кристаллизации. Поэтому, например, полиэтилен линейного строения имеет более высокую кристалличность, чем полиэтилен с разветвленными цепями. Сшивки мостики между полимерными цепями мешают кристаллизации в такой же степени, как и разветвленность цепей.

Макромолекулы полимера должны быть достаточно гибкими, подвижными, что облегчает их упаковку в плотные структуры. Если же полимерная цепь жесткая, то кристаллизация не происходит. Степень кристалличности одного и того же полимера может изменяться. Например, при растягивании полимера его макромолекулы принимают параллельное расположение относительно друг друга. При этом кристалличность его возрастает.

Кристаллические полимеры обладают более высокими механическими показателями, чем аморфные. Тема 4. Школьная лекция Волокна 1 ч. 9 класс Общий метод обучения объяснительно - иллюстративный Форма обучения фронтальная План лекции 1. классификация волокон 2. природные волокна 3. искусственные волокна получение вискозного и ацетатного волокон 4. синтетические волокна производство капрона 1. Волокна - протяженные, гибкие, прочные тела с малыми поперечными размерами, пригодные для изготовления пряжи и текстильных изделий.

Волокна делят на натуральные природные и химические. Натуральные волокна могут быть растительного или животного происхождения. Химические волокна в свою очередь подразделяют на искусственные и синтетические. Классификацию волокон можно представить в виде схемы приложение 1 . 2. Природные волокна Волокно растительного происхождения - хлопок, лен. Хлопковое волокно получают из субтропического растения - хлопчатника. Состав хлопкового волокна - целлюлоза - 96 - пентозан - 1 - 2 - жиры и воска - 1 - азотосодержащие и белковые вещества - 0,3 - зола - 0,2 - 0,4 Хлопковое волокно легкое, достаточно прочное, мягкое, гигроскопичное.

Состоит из нескольких скрученных элементарных волоконец. Между волоконцами есть полые пространства, поэтому хлопок хорошо впитывает и испаряет влагу. Хорошая гигроскопичность хлопка связана также с его строением гидроксогруппы целлюлозы образуют с молекулами воды водородные связи. Волокна животного происхождения - шерсть и шелк. Шелк вырабатывают многочисленные гусеницы и пауки.

Важнейшее значение имеет тутовый шелкопряд. Основа нити - белок - фибрион шелка 78 . Элементарные фибрионовые нити склеены белковым веществом- серизином 20 . Куколку из кокона убивают струей горячего воздуха. При погружении коконов в воду серизин размягчается, так что вращающиеся в водяной бане щетки могут захватывать концы шелковых нитей из коконов. Соединяют 4 - 10 нитей, наматывают их на катушки и высушивают. Из 3 - 4 тысяч метров волокна получают 900 метров шелковой нити. Шерсть - волокна волосяного покрова овец, коз, верблюдов и других животных. 3. Искусственные волокна Наибольшее значение среди искусственных волокон занимают ацетатное и вискозное волокна, получаемые из древесной целлюлозы.

Без предварительной обработки древесной целлюлозы из нее нельзя получить прочное волокно ее необходимо перевести в растворимое состояние. Целлюлозу переводят в диацетат целлюлозы, действуя на нее уксусной кислотой.

Раствор диацетата целлюлоза продавливают через фильеру с большим числом мельчайших отверстий. Нагретый воздух испаряет ацетон, а пучок тонких волоконец, выходящий из фильеры, скручивают в одну непрерывную нить. Так получают ацетатное волокно. Получение вискозного волокна Из целлюлозы получают щелочную целлюлозу, которую затем обрабатывают сероуглеродом - ксантогенируют. Водный раствор ксантогената целлюлозы потом выдавливают через отверстия фильеры в осадительную ванну с серной кислотой, которая омыляет ксантогенат целлюлозы.

Образуется регенерированная целлюлоза с ориентированными макромолекулами. Ориентация полимерных цепей вдоль оси волокна происходит во время его формования. 4. Синтетически волокна из синтетических волокон наибольший интерес представляют полиамидное волокно - полиамид - 6 капрон и полиэфирное - полиэтиленгликольтерефталат лавсан. Капрон получают из капролактала, который под воздействием воды размыкает цикл, образуя е - капроновую кислоту. Из этой кислоты в результате поликонденсации образуется полимер линейной структуры n H2N - CH2 5 - COOH - NH - CH2 5 - CO - n n-1 H2O Домашнее задание Заполнить таблицу Название волокна группы волокон Вещество, составляющее основу волокна Формула полимера Свойства волокон Изделия из волокна Тема 5. Пластмассы Пластмассами называют материалы, изготовленные на основе полимеров, способные приобретать при нагревании заданную форму и сохранять ее после охлаждения. Пластмасса - это смесь нескольких веществ полимер - это лишь одно из них, но самое важное.

Он связывает все компоненты пластмассы в единое, более или менее однородное целое.

Поэтому полимер называют связующим. Превращать в готовое изделие проще пластмассы, которые обратимо твердеют и размягчаются. Это так называемые термопласты, или термопластические 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. Экскурсия на Фабрику игрушек План экскурсии 1. Знакомство с технологией производства пластмассовых игрушек. 2. Знакомство с технологией производства кукол из полихлорвинилового пластиката марки Пластизоль Д - 17 И . 3. Посещение участка сборки кукол из отдельных деталей. 4. Посещение участка по производству мягких игрушек.

Конференция на тему Получение и применение наиболее важных синтетических и природных полимеров Из года в год растет производство синтетических полимеров, это связано с широким разнообразием их полезных свойств, а также со сравнительно невысокими ценами на исходное сырье.

В сравнении с другими материалами полимеры обладают рядом преимуществ. Так, они легче металлов, имеют достаточную прочность некоторые - прочнее стали, устойчивы к агрессивным средам, не подвергаются коррозии. Несмотря на их некоторые недостатки невысокую теплостойкость и низкую морозостойкость, склонность к деструктивным процессам, полимеры сегодня используют практически во всех областях промышленности. К наиболее распространенным синтетическим полимерам относят полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид, полиметилметакрилат, политетрафторэтилен, эпоксидные и фенолформальдегидные полимеры и д.р. На их основе получают пластмассы, эластомеры, волокна, клеи, лаки, мастики и герметики.

Полиэтилен - СН2 - СН2 - n - продукт полимеризации этилена. В зависимости от способа получения различают, как правило, полиэтилен высокого и низкого давления. Полиэтилен низкого давления имеет, в основном, линейную структуру, а полиэтилен высокого давления - разветвленное строение.

Полиэтилен высокого давления - мягкий и эластичный материал, а полиэтилен низкого давления характеризуется высокой степенью кристалличности, большой плотностью и более высокой молекулярной массой. Все полиэтилены обладают высокой морозоустойчивостью низкой температурой хрупкости и могут эксплуатироваться при температурах до - 70оС. Полиэтилены стойки ко многим агрессивным средам кислоты, щелочи и т.д. и органическим жидкостям на холоде они не растворяются в органических растворителях, хотя набухают в некоторых из них. Полиэтилены представляют собой воскоподобные материалы иногда прозрачные, выпускаемые промышленностью в виде блоков, листов и гранул перерабатываются они в изделия главным образом методами литья под давлением, экструзия выдавливание различного полимера через сопло шприц - машины и выдувания. Из полиэтилена производят бесшовные корозийностойкие трубки, изоляционные оболочки электропроводов и пленки, широко применяемые в качестве упаковочного материала, для изготовления покрытий, перегородок, шаров, в сельском хозяйстве и т.д. При помощи литья под давлением или выдувания получают различную тару бутылки, склянки, ведра, корзины, бочки и т.д Благодаря своим прекрасным диэлектрическим свойствам полиэтилен широко применяется для изоляции электрических кабелей, в телевидении, радиолокации и для многопроводной телефонной связи.

Полиэтилен хорошо сваривается.

Пропуская струю сжатого воздуха со взвешенными в ней частицами полимера через воздушноацетиленовое пламя и направляя эту струю на металлические изделия, можно покрыть их сплошным защитным слоем метод газопламенного напыления. Тот же результат достигается при погружении разогретого до 250 - 300оС изделия во взвесь полимера.

Полиэтилен перерабатывается и обычными методами механической обработки. Существенным недостатком полиэтилена является его быстрое старение, которое, однако, резко замедляется при введении в полимер различных противостарителей, таких как фенолы, амины и газовая сажа. Полипропилен - СН2 - СН СН3 - n получают ионной полимеризацией пропилена.

Полипропилен - твердое, жирное на ощупь вещество, является наиболее легким из всех известных жестких полимеров он отличается высокой прочностью на разрыв, жесткостью и твердостью. По прочности на разрыв и удар и по теплостойкости он превосходит полиэтилен, поливинилхлорид и полистирол. У стереорегулярного полипропилена такие же диэлектрические свойства, как и у полиэтилена, но лучшая химическая стойкость, при повышенных температурах.

При помощи тех же методов, которые используются при переработке полиэтилена, из полипропилена изготавливаются трубы для горячих жидкостей, прозрачные пленки с низкой проницаемостью для жидкостей, газов и паров, бутылки флаконы и различные сосуды для химической промышленности. Используют в строительстве. Может применяться для армирования цемента. Весьма перспективно полипропиленовое волокно, которое прядется сухим методом без применения растворителей и пластификаторов.

Полиизобутилен - СН2 - С СН3 2 - n получают ионной полимеризацией изобутилена в присутствии катализаторов AlCl3, BF3, AlBr3. Низкомолекулярный полиизобутилен - вязкая жидкость, высокомолекулярный - эластичный продукт, напоминающий каучук. Эти материалы отличаются от натурального каучука тем, что они сохраняют эластичные свойства при очень низких температурах до - 55оС . Благодаря своей насыщенности полиизобутилены не способны вулканизироваться обычными методами и при комнатной температуре стойки к действию щелочей, галогенов и почти всех кислот.

Они легко кристаллизуются при растяжении, хотя в нерастянутом состоянии аморфны. Полиизобутилен обладает прекрасными диэлектрическими свойствами, поэтому его применяют в электроизоляционной промышленности. Полиизобутилен окисляется кислородом при длительном воздействии солнечного света под влиянием ультрафиолетовых лучей. Этот недостаток в значительной степени устраняется путем добавления к полимеру активных наполнителей сажа, тальк, графит или других полимеров полиэтилен, каучук, фенольноальдегидная смола. Полиизобутилены хорошо растворяются в ароматических углеводородах, сероуглероде и хлорированных углеводородах, но не растворимы во многих полярных растворителях, таких как спирты и сложные эфиры.

Растворы полиизобутилена используются в качестве клея. Ввиду высокой коррозийностойкости полиизобутилен нашел широкое применение, как футеровочный обкладочный и прокладочный материал. Листы из него используются для защиты металлических труб и для обкладки реакторов, железнодорожных цистерн и кислотохранилищ.

Они содержат наряду с полимером до 70 наполнителей сажа, графит, асбест, тальк, которые вводятся в массу на горячих вальцах. Листы могут быть соединены при помощи сварки. Методом экструзии из полиизобутилена производят трубки, оболочки и ленты. Длительная нагрузка при комнатной температуре вызывает у полиизобутилена необратимую деформацию холодная текучесть для устранения этого нежелательного явления полиизобутилен смешивают с природными и синтетическими смолами.

Широкое применение получили смеси полиизобутилена и полиэтилена. Полистирол - СН2 - СН С6Н5 - n получают радикальной полимеризацией стирола. Полистирол - бесцветное, твердое стеклоподобное вещество. Термопластичен, имеет высокие диэлектрические показатели, легко окрашивается. К недостаткам полистирола следует отнести хрупкость, легкую склонность к деструкции под влиянием кислорода воздуха и света.

Полистирол один из самых первых известен более 100 лет и самых распространенных полимеров. Применяют, главным образом, как изоляционный материал в радиотехнике и телевидении, для изготовления пенопластов, галантерейных изделий и предметов домашнего обихода. Пенополистирол нашел применение в строительстве, холодильной технике, транспорте. Ударопрочный полистирол используют для изготовления ванн, корпусов холодильников. Известное применение нашла механическая обработка блоков и пластин из полистирола в производстве линз и электротехнических деталей.

Поливинилхлорид ПВХ - СН2 - СН Cl - n продукт радикальной полимеризации винилхлорида. Поливинилхлорид - термопластичный материал, устойчивый к агрессивным веществам, стойкий к истиранию. Промышленность выпускает два вида материала на основе поливинилхлорида 1. мягкий и эластичный пластифицированный полимер - пластикат 2. жесткий непластифицированный полимер, смешанный с 2 - 3 стабилизатора - винипласт. Винипласт представляет собой твердый упругий продукт с высокой прочностью на удар и сравнительно хорошими механическими свойствами.

Их массы, полученной вальцеванием порошкообразного полимера со стабилизаторами, формуют листы, пленки, трубы, вентили, детали насосов т.д. которые могут эксплуатироваться при температурах, не превышающих 50 - 60оС. Винипласт сваривается, склеивается и хорошо перерабатывается механическими методами им можно футеровать электролизные ванны, резервуары кислот и другие сосуды. Для производства перчаток, галош, обуви, плащей и т.д. широкое применение нашли поливинилхлоридные пасты, представляющие собой тонкодисперсионного полимера в пластификаторе.

Вследствие сравнительно небольшой вязкости и липкости таких паст их можно наносить в виде тонкого слоя на ткань, бумагу, кожу или форму. На холоде паста долгое время практически не меняется, при нагревании же происходит быстрое набухание полимера и превращение пасты в монолитную прочную и эластичную пленку. Поливинилхлорид используется также для изготовления мягких и жестких пенопластов.

Методом экструзии выдавливания из ПВХ можно получать различные строительные изделия плинтусы, карнизы, дверные ручки и т.д. Также ПВХ используют для производства линолеума. Из растворов ПВХ формуют поливинилхлоридное волокно - хлорин, которое применяют в производстве фильтровальных и негорючих тканей, спецодежды, нетканых материалов, а в смеси с другими волокнами - для изготовления ковров, искусственной кожи, пушистых трикотажных изделий.

Поливинилацетат ПВА - СН2 - СН ОСОСН3 - n получают радикальной полимеризацией винилацетата. ПВА - твердый, бесцветный и прозрачный полимер, имеющий низкую термостойкость размягчается при 40оС . Набухает в воде, растворяется в органических растворителях. Является сырьем для получения поливинилового спирта. Благодаря высокой адгезии ко многим материалам стеклу, металлам, древесине и д.р. ПВА в виде дисперсии часто входит в состав лаков и клеев, а также применяют для покрытия дерева, ткани, бумаги моющиеся обои, керамики - для придания им гидрофобных свойств.

Поливинилацетатная дисперсия ПВАД входит в состав высокоэмульсионных красок. ПВА - основа клеев и связующее при изготовлении полимербетонов. Полиметилметакрилат органическое стекло или плексиглас - СН2 - С СН3 СООСН3 - n получают радикальной полимеризацией метилметакрилата. Полиметилметакрилата - прозрачный полимер, стойкий к действию агрессивных веществ. Термопластичен. Обладает способностью пропускать 74 ультрафиолетового излучения для сравнения кварцевое стекло пропускает 100 , а обычное силикатное-оконное - 0,6 . Полимер способен окрашиваться во многие цвета.

Полиметилметакрилат используют в производстве высокопрочных стекол для остекления салонов самолетов, машин и при выработке часовых и оптических стекол. Полимер применяют в зубопротезной практике. Политетрафторэтилен тефлон или фторопласт - 4 - СF2 - СF2 - n получают радикальной полимеризацией тетрафторэтилена. Фторопласт - 4 - сероватый, тяжелый полимер, обладающий хорошими диэлектрическими свойствами.

Гидрофобен. Имеет высокую механическую прочность и химическую стойкость. Пластичен, дает самые тонкие пленки. Применяют в производстве электроизоляционных пленок, подшипников, уплотнителей, поршневых колец, труб, прокладок, протезов органов человека. Политетрафторэтиленовая суспензия служит для нанесения антикоррозионных, антифрикционных и электроизоляционных покрытий на металлы. Эпоксидные полимеры смолы. Такие полимеры могут быть в виде вязких жидкостей или твердых хрупких веществ.

Эпоксидные полимеры характеризуются значительной атмосферо и влагостойкостью, а также инертностью ко многим химическим и агрессивным соединениям. Обладают прекрасной адгезией к металлам, древесине, бетонам, пластмассам. Применяют для создания пленкообразных лаков. Они являются основой клеев, герметиков, служат в качестве связующих для армированных пластиков. Будучи безвредными для человека, они могут служить для защиты стенок консервной тары. Фенолоформальдегидные полимеры.

Эти полимеры получают поликонденсацией фенола с формальдегидом. Присоединяясь к фенолу, формальдегид вначале образует спирты Затем следует поликонденсация фенолоспиртов с выделением воды При кислотном катализе при взаимодействии фенола и формальдегида образуется линейный полимер - новолак Новолаки используют для производства лаков и прессовочных порошков. При поликонденсации фенола с избытком формальдегида в щелочной среде получают разветвленные полимеры - резолы или пространственные полимеры - резиты.

Резолы находят применение в производстве пластмасс с наполнителями фенопласты. Из них формуют различные изделия, а также используют для изготовления слоистых пластиков, пропитывая резолом материал текстолит или бумагу гетинакс. Резольные полимеры идут на производство лаков, пресспорошков, клея БФ. Фенолоформальдегидные полимеры обладают высокой химической и механической стойкостью. Поэтому они используются для производства некоторых деталей автомашин, электрооборудования, телефонной и телевизионной аппаратуры.

К природным полимерам относят белки и нуклеиновые кислоты, целлюлозу и ее производные, крахмал, каучук. Целлюлоза С6Н9О4 ОН n и ее производные. 1. целлюлоза или клетчатка главная составная часть оболочек растительных клеток, выполняющая функцию конструкционного материала. Целлюлоза в чистом виде обычно не встречается, но волокна хлопчатника очищенная вата и фильтровальная бумага могут служить образцом почти чистой целлюлозы до 96 . 2. по своему строению целлюлоза представляет собой линейный полимер.

Целлюлоза входит в состав многих наполнителей и непосредственно используется в производстве текстильных материалов и бумаги, она также подвергается химическим превращениям с целью получения искусственного волокна, пластических масс, лаков, красок. 3. при обработке целлюлозы концентрированным раствором щелочи получают щелочную целлюлозу C6H7O2 OH 3 n nNaOH C6H7O2 OH 2ONa n nH2O Такая целлюлоза используется в качестве промежуточного продукта для производства ксантогената целлюлозы, который служит для получения вискозного волокна S C6H7O2 OH 2ONa n nCS2 C6H7O2 OH 2 - O - C - SNa n ксантогенат целлюлозы Волокно получают продавливанием через фильеру насадка с мелкими отверстиями щелочного раствора ксантогената в раствор серной кислоты.

При этом целлюлоза регенерируется и одновременно образуются тонкие нити. Если вискозу, пластифицированную глицерином, продавливать через узкие прорези в осадительный раствор, то получают тонкий прозрачный лист - целлофан. 4. нитроцеллюлоза C6H7O2 OH ONO2 2 n - синтезируется путем обработки целлюлозы смесью серной и азотной кислот.

Несмотря на легкую воспламеняемость и нестабильность, до сих пор используется в сочетании с пластификаторами дибутилфталат, камфора, а иногда с наполнителями для производства целлулоида и быстро высыхающих нитролаков. Целлулоид перерабатывается в изделия выдуванием листового материала и методом экструзии.

Нитролаки, содержащие, кроме перечисленных компонентов, смолы и высыхающие масла, применяются для покрытия мебели, металлических предметов, тканей и т.д. Для получения высококачественного ацетатного волокна служат главным образом ацетаты целлюлозы C6H7O2 OОС - СН3 3 n прядение ведется из растворов полимера. Благодаря их трудной воспламеняемости ацетатами часто заменяют нитраты в производстве кинопленки. Пластифицированный ацетат перерабатывается в изделия с высокой ударной прочностью методами литья под давлением, прессования и экструзии.

Наибольшее практическое значение среди простых эфиров целлюлозы имеет этилцеллюлоза C6H7O2 OСH2 - С6Н5 3 n. Этот эфир трудно воспламеняется, хорошо формуется, изделия из него имеют высокую прочность на удар, сохраняя гибкость и упругость до - 400 С. Водорастворимая метилцеллюлоза C6H7O2 OH 2 OСН3 n. Используется в качестве загустителя для пищевых продуктов, а также как эмульгатор и клей. Крахмал С6Н10О5 n - самый распространенный в природе полисахарид, играющий роль резервного вещества многих растений.

Он является главным компонентом картофеля, риса, пшеницы и кукурузы. Основное количество крахмала получается из клубней картофеля. Крахмал представляет собой смесь полисахаридов двух типов растворимой в воде амилозы 20 - 30 и нерастворимого амилопектина 70 - 80 . Крахмал ценный пищевой продукт. Применяется он и в химической промышленности. Например, кислотный гидролиз крахмала при кипячении служит промышленным методом получения глюкозы.

Крахмал является сырьем для производства этилового и н-бутилового спиртов, ацетона, молочной и лимонной кислот, глицерина и других продуктов. Он используется для проклеивания бумаги и картона, производства декстринов и клеев. Ацилированный крахмал применяют для приготовления покрытий и загустителей. Алкильные производные крахмала используют в качестве пластификаторов и клеев. Каучук С5Н8 n - относится к эластомерам. Каучуки делят на натуральный природный и синтетические.

Натуральный каучук - природный непредельный полимер, представляет собой высокоэластичную массу, получаемого из млечного сока латекса - взвесь мельчайших частичек каучука в воде некоторых тропических деревьев гевеи бразильской и др. и растений кок - сагыз, тау - сагыз, гваюла. Наиболее важным отличием натурального каучука является его высокая эластичность - способность к большому растяжению под действием внешней нагрузки и восстановлению своей формы после ее снятия.

Натуральный каучук растворяется во многих углеводородах, образуя вязкие растворы. Установлено, сто структурной единицей натурального каучука является изопреновая группировка - СН2 - С СН - СН2 - СН3 Другими словами, натуральный каучук - полимер изопрена. Другой разновидностью полимера изопрена является гуттаперча. В отличие от каучука она не обладает эластичностью причина этого в различном строении макромолекул этих природных полимеров. Каучук - пластический материал. Изделия из него обладают рядом недостатков при повышении температуры становятся липкими, теряют форму, а при низкой температуре - эластичность.

Поэтому каучук нельзя использовать непосредственно. Для придания каучукам прочностных свойств, эластичности и термостойкости их подвергают обработке серой - вулканизируют процесс протекает в специальных аппаратах при 140 - 180 0С . В результате каучук превращается в технический продукт - резину, которая содержит около 5 серы. Ее роль состоит в том, что она сшивает между собой макромолекулы каучука, образуя сетчатую структуру.

Кроме серы в резину входят также различные наполнители, пластификаторы, красители, антиокислители антиоксиданты и др. Высокая потребность промышленности каучуке привела к тому, что большая часть его производится синтетическим путем. Некоторые сорта синтетического каучука не уступают натуральному, а по некоторым свойствам даже превосходят его. Темы докладов 1. Применение полиэтиленов в промышленности и в быту. ПЭНД и ПЭВД. 2. Полипропилен получение и применение. 3. Полиизобутилен.

Каучук природный и синтетический 4. Полистирол. 5. Поливинилхлорид. 6. ПВА. 7. Полиметилметакрилат и тефлон. 8. Эпоксидные смолы. Клеи. 9. Фенолформальдегидные полимеры. 10. Целлюлоза и ее производные. Крахмал. Тема 6. Биополимеры Биополимеры - это хорошо известные вам белки, полисахариды, нуклеиновые кислоты. Белки - это биополимеры, состоящие из остатков Ь - аминокислот. В белках выделяют 4 уровня структур Первичную структуру белков можно рассматривать как линейную структуру.

Она определяется порядком чередования остатков молекул аминокислот в полипептидной цепи и обуславливает белковую индивидуальность всех живых организмов на земле. Как из букв алфавита можно построить бесконечное количество слов, так и их немногим более чем 20 Ь - 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 белка чаще всего спиралевидная определяется особенностями скручивания типом укладки полипептидных цепей белковых молекул в спираль за счет возникновения водородных связей между группами - NH - и - С О рис. 2 . Третичная структура белков клубочковидная или глобулярная определяется пространственным расположением белковых спиралей за счет возникновения водородных, амидных и дисульфидных связей.

Третичная структура в виде определенной пространственной конфигурации с выступами и впадинами, с обращенными наружу функциональными группами обуславливает специфическую биологическую активность белковой молекулы рис.3 . Некоторые белки, например, гемоглобин, имеют четвертичную структуру. Четвертичная структура относится к макромолекулам, 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 крахмал и целлюлоза. И опять можно убедиться в том, насколько важное значение имеет пространственное строение для свойств веществ. Ведь в основе столь разительных отличий крахмала и целлюлозы, имеющих общую формулу С6Н10О5 n, лежит тот факт, что крахмал - ценное питательное вещество, запасной углевод растительной клетки - построен из остатков молекул Ь - глюкозы, а целлюлоза - дополнительная механическая оболочка растительной клетки - построена из остатков молекул в - глюкозы. Полинуклеотиды, или нуклеиновые кислоты это биополимеры, состоящие из остатков нуклеотидов.

Подобно молекулам белков, нуклеиновых 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. Макромолекулы ДНК представляют собой спираль, состоящую из двух цепей, закрученных вокруг общей оси. Это их вторичная структура.

В поддержание ее, как и в белка, важная роль принадлежит водородным связям. Образуются они между азотными основаниями разных цепей молекулы, располагающимися, в отличие от радикалов белковых молекул, не снаружи, а внутри спирали рис. 4 . Нуклеиновые кислоты - РНК и ДНК выполняют важнейшую роль в хранении и передаче наследственной информации организма, в биосинтезе белка.

Изучение биополимеров, особенно белков и нуклеиновых кислот, привело к созданию новых наук - биоорганическая химия, молекулярная биология, генная инженерия, открывающих перед человечеством неисчерпаемые возможности глубокого проникновения в тайны жизни и все более широкого использования постигаемых закономерностей в практических целях. Зачетное занятие по курсу Полимеры вокруг нас I вариант. 1. Какие вещества называют полимерами? 2. Какая реакция называется реакцией полимеризации? Приведите примеры данной реакции. 3. Дайте определения а. структурное звено - это б. белки - это в. нуклеиновые кислоты - это г. пластмассы - это 4. Укажите мономеры а. бутадиенового каучука б. изопренового каучука 5. Определите среднечисловую и средневесовую молекулярные массы системы, содержащей по N молекул с молекулярными массами 100, 200, 300. II вариант. 1. На какие группы классифицируют по происхождению ВМС? 2. Какая реакция называется реакцией поликонденсации? Приведите примеры данной реакции. 3. Дайте определение а. мономер - это б. полисахариды - это в. волокна - это г. степень полимеризации - это 4. Напишите формулы элементарных звеньев в молекулах а. бутадиенового каучука б. изопренового каучука 5. Определите среднечисловую и средневесовую молекулярные массы системы, состоящей из 100 молекул с молекулярной массой m 100 20 с m 500 и 50 молекул с m 200.