II Семестр
Тема 6. СИНТЕТИЧНІ ВИСОКОМОЛЕКУЛЯРНІ РЕЧОВИНИ Й ПОЛІМЕРНІ МАТЕРІАЛИ НА ЇХНІЙ ОСНОВІ
Урок 59
Тема уроку. Поліетилен, поліпропілен, полівінілхлорид, полістирол, поліметилметакрилат, феноло-формальдегідні смоли.
Склад, властивості, застосування пластмас на їхній основі
Цілі уроку: ознайомити учнів зі складом і властивостями деяких сучасних полімерних матеріалів на основі поліетилену, поліпропілену, полівінілхлориду, полістиролу, поліметилметакрилату, феноло-формальдегідних смол.
Тип
Форми роботи: семінар, групова робота, лабораторна робота.
Демонстрація 1. Зразки пластмас, синтетичних волокон, каучуків.
Лабораторний дослід 1. Порівняння властивостей термореактивних і термопластичних полімерів.
ХІД УРОКУ
I. Організація класу
II. Актуалізація опорних знань.
Мотивація навчальної діяльності
1. Лабораторний дослід 1. порівняння властивостей термореактивних і термопластичних полімерів
Складіть порівняльну характеристику термопластичних і термореактивних
2. Фронтальна бесіда
Напишіть рівняння одержання полімерів на основі пропілену, вінілхлориду, стиролу. Укажіть мономер, елементарну ланку. Охарактеризуйте фізичні властивості полімерів на підставі своїх спостережень.
Поліпропілен:
Полівінілхлорид:
Полістирол:
III. Семінар
Поліетилен, поліпропілен, полівінілхлорид, полістирол, поліметилметакрилат, феноло-формальдегідні смоли.
Склад, властивості, застосування пластмас на їхній основі
Для роботи на уроці учні об’єднуються в групи, які за два-три уроки одержують завдання: охарактеризувати будову, одержання і властивості полімерних матеріалів на основі однієї з високомолекулярних сполук.
Під час семінару учні представляють підготовлений матеріал, доповнюють одне одного, роблять висновки, порівняльні характеристики.
1. Феноло-формальдегідні смоли
Феноло-формальдегідні смоли [-C6H3(OH) – CH2-]n – продукти поліконденсації фенолу C6H5OH з формальдегідом CH2 = O.
Роль реакційно-здатних функціональних груп у цих сполуках відіграють:
– у фенолі – три зв’язки C – H в орто – й геара-положеннях (легше відбувається заміщення у двох орто-положеннях);
– у формальдегіді – подвійний зв’язок C = O, здатний до приєднання до атомів С і О.
Утворення макромолекул відбувається за схемою поліконденсації:
Реакція здійснюється в присутності кислих (хлоридна, сульфатна, щавлева та інша кислоти) або лужних каталізаторів (амоніак, натрій гідроксид, барій гідроксид).
За надлишку фенолу й кислого каталізатору утворюється лінійний полімер – новолак, ланцюг якого містить близько десяти фенольних залишків, з’єднаних між собою метиленовими (-CH2-) містками.
Новолаки – термопластичні полімери, які самі по собі не здатні переходити в неплавкий і нерозчинний стан, але можуть перетворюватися на тривимірний полімер унаслідок нагрівання їх з додатковою порцією формальдегіду в лужному середовищі. У разі використання лужних каталізаторів і надлишку альдегіду в початковій стадії поліконденсації одержують лінійні ланцюги резолу:
Унаслідок додаткового нагрівання ці ланцюги “зшиваються” між собою за рахунок груп – CH2OH, що перебувають у пара-положенні фенольного кільця, з утворенням тривимірного полімеру – резиту.
Отже, резоли є термоактивними полімерами. Феноло-формальдегідні полімери застосовуються як пресувальні композиції з різними наповнювачами, а також у виробництві лаків і клеїв.
2. Поліетилен
Поліетилен (петротен, алкатен, хостален LD, стафлен юніпол, карлон, хостален G, хей-жекс та ін.) – (-CH2 – CH2 -) , твердий білий полімер; термопласт. Залежно від способу одержання розрізняють поліетилен високого тиску, або низької густоти, молекулярна маса – 3-104 – 4-105 (поліетилен вд) і поліетилен низького тиску, або високої густоти, молекулярна маса – 5-104 -106 (поліетилен нд). Вони відрізняються одне від одного структурою макромолекул (наявністю в поліетилену вд довголанцюгових відгалужень), а отже, і властивостями. Ступінь кристалічності – 60 % (поліетилен вд) і 70-90 % (поліетилен нд). Поліетилен має низьку газо – й паропроникність (найменшу для сильнополярних речовин, найбільшу для вуглеводнів). Хімічна стійкість залежить від молекулярної маси, ММР і густоти. Поліетилен не реагує з лугами будь-якої концентрації, з розчинами будь-яких солей, у тому числі й солей-окисників, карбоновими, концентрованими хлоридною та плавиковою кислотами. Він руйнується 50%-ю HNO3, а також рідкими й газоподібними Cl2 і F2. Бром та йод через поліетилен дифундують. Поліетилен не розчиняється в органічних розчинниках за кімнатної температури й органічно набухає в них.
Поліетилен стійкий до нагрівання у вакуумі й атмосфері інертного газу; деструктується в разі нагрівання на повітрі вже за температури 80 °С. Під дією сонячної радіації, особливо УФ-променів, зазнає фотостаріння. Як антиоксиданти поліетилену найбільш ефективними є ароматичні аміни, феноли, фосфіти, як світло-стабілізатори – сажа, похідні бензофенонів. Поліетилен практично нешкідливий; у навколишнє середовище з нього не виділяються небезпечні для здоров’я людини речовини.
Поліетилен можна модифікувати: з допомогою хлорування, сульфурування, бромування, флуорування надати йому каучуко-подібних властивостей, поліпшити теплостійкість, хімічну стійкість; шляхом сополімеризації з іншими олефінами, полярними мономерами підвищити стійкість до розтріскування, еластичність, прозорість, адгезійні характеристики; змішуванням з іншими полімерами або сополімерами поліпшити теплостійкість, ударну в’язкість та ін.
У промисловості поліетилен одержують у процесі полімеризації етилену. Процес за високого тиску відбувається за радикальним механізмом під дією O2, пероксидів, наприклад лаурилу або бензоїлу або їхніх сумішей. Для виробництва поліетилену в трубчастому реакторі етилен, змішаний з ініціатором, стиснутий компресором до 25 МПа і нагрітий до температури 70 °С, надходить спочатку в першу зону реактора, де підігрівається до температури 180 °С, а потім – у другу, де полімеризується за температури 190-300 °С і тиску 130-250 МПа. Середній час перебування етилену в реакторі становить 70-100 с, ступінь перетворення – 18-20 % залежно від кількості й типу ініціатора. З поліетилену видаляють етилен, що не прореагував, розплав охолоджують до температури 180-190 °С і гранулюють. Гранули, охолоджені водою до температури 6070 °С, підсушують теплим повітрям і впаковують у мішки.
Поліетилен застосовують для виробництва плівок технічного й побутового призначення. З нього виготовляють ємності для зберігання агресивних середовищ, конструкційні деталі, арматури, вентиляційні установки, гальванічні ванни, струминні насоси, деталі автомашин, протези внутрішніх органів, електроізоляцію, високоміцне волокно, пенополіетилен, предмети домашнього побуту та ін.
Уперше поліетилен було одержано 1932 р. методом високого тиску у Великій Британії, методом низького тиску – 1953 р. у ФРН.
3. Поліпропілен
Поліпропілен (хостален, данлай, моплен, новольйон, олеформ, поліпро, пропатен, профакс та ін.) – [-CH2CH(CH3)-]n, безбарвний термопластичний полімер. Залежно від просторового розташування груп – CH3 відомі ізотактичний, синдіотактичний, атактичний і стереоблоковий поліпропілени. Найбільше промислове значення має ізотактичний поліпропілен (ступінь ізотактичності – 95-99 %), макромолекули якого мають спіральну конформацію. Стійкий у воді (аж до температури 130 °С) і агресивних середовищах, крім сильних окисників (конц. HNO3, H2SO4, хромова суміш). У тонких плівках практично прозорий.
Для ізотактичного поліпропілену характерні висока ударна в’язкість, стійкість до багаторазових вигинів, гарні зносостійкість (можна порівняти зі зносостійкістю поліамідів). Поліпропілен погано проводить тепло.
Поліпропілен легко окислюється на повітрі, особливо за температури понад 100 °С; термоокисна деструкція відбувається автокаталітично. Термічна деструкція починається за температури 300 °С. максимальна температура експлуатації виробів з поліпропілену становить 120-140 °С. Поліпропілен легко піддається хлоруванню.
З поліпропілену способом лиття під тиском виготовляють деталі машин, арматури, екструзії – плівки, труби; близько 40 % поліпропілену переробляють на волокно. Великого значення набувають наповнені композиції на основі поліпропілену (наповнювачі – крейда, тальк, графіт, сажа та ін.), у тому числі електропровідні й магнітоактивні.
Уперше високомолекулярний кристалічний поліпропілен одержав Дж. Натта 1954 р.
4. Gолівінілхлорид
Полівінілхлорид (ПВХ, вестоліт, хосталіт, вінол, корвік, сольвік, сікрон, джеон, ніппеон, луковіл, хелвік, норвік та ін.) – [-CH2CHCl-]n, безбарвний термопластичний полімер. Розчиняється в дихлоретані, циклогексаноні, хлор – і нітробензені, ТГФ, ДМФА, обмежено – у бензені, ацетоні, не розчиняється у воді, спиртах, вуглеводнях. Стійкий у розчинах лугів, кислот, солей, в атмосфері, грибкостійкий. Важко горить. За температур понад 120 °С починається помітне відщеплення HCl, що відбувається кількісно за температури 300-350 °С. За більш високих температур спостерігається розрив полімерних ланцюгів з утворенням вуглеводнів. Фізико-хімічні властивості полівінілхлориду залежать від способу, рецептури й режиму його одержання.
Одержують полівінілхлорид шляхом полімеризації вінілхлориду.
Полівінілхлорид переробляють усіма відомими методами переробки пластмас як на тверді (вініпласт), так і на м’які, або пластифіковані (пластикат), матеріали й вироби.
5. Поліметилметакрилат
Поліметилметакрилат – [-CH2C(CH3)(COOCH3)-]n. У промисловості виробляють аморфний атактичний полі метилметакрилат (лише близько 80 % мономерних ланок входить до полімерного ланцюга в синдіотактичній послідовності); безбарвний і прозорий; молекулярна маса – від десятків тисяч до кількох мільйонів. розчинний у карбонових кислотах, естерах (у тому числі у власному мономері), кетонах, ароматичних вуглеводнях; стійкий у воді, розбавлених розчинах лугів і мінеральних кислот, аліфатичних вуглеводнях. Цілком гідролізується водним розчином лугу за температури не нижче 200 °С і концентрованою H2SO4 за температури 75 °С. Має високу проникність для променів видимого й УФ-світла, високу атмосферостійкість, чудові фізико-механічні й електроізоляційні властивості. У разі нагрівання до температури понад 105-110 °С поліметилметакрилат розм’якшується, переходить у високоеластичний стан і легко формується. За температури 300-400 °С у вакуумі практично кількісно деполімеризується.
Відомі стереорегулярні поліметилметакрилати – полімери, що кристалізуються й мають більш високі густину і стійкість до дії розчинників, ніж атактичний поліметилметакрилат; у промисловості їх не виробляють.
У промисловості поліметилметакрилат одержують радикальною полімеризацією метилметакрилату за помірних температур у присутності ініціаторів.
У зв’язку з екологічними проблемами у 1980-х рр. почалося витіснення суспензійного методу безперервною полімеризацією метилметакрилату в масі; поліметилметакрилат одержують у формі розплаву, з якого формують листи або гранули.
Гранульований поліметилметакрилат переробляють екструзією на листи, що застосовуються для виготовлення світильників, реклам, дорожніх знаків тощо, на профільовані вироби й труби, а литтям під тиском – на елементи оптики, освітлювальні прилади в автомобілебудуванні, шкали та індикатори приладів, елементи приладів для переливання крові в медичній техніці. Гомополімер метилметакрилату (молекула мономеру – 400-B00 тис.) у вигляді бісеру використовують як оздоблювальний лак у шкіряній промисловості, сополімери метилметакрилату з акриловими мономерами – у виробництві лаків та емалей. розвивається також застосування поліметилметакрилату у виробництві оптичних полімерних волокон і дисків для лазерних відеопрогравачів.
Суспензійний поліметилметакрилат виробляється під торговельними назвами: дакрил (СНД), люсайт (США), діакон (Велика Британія), плексиглас, плексигум (ФРН), ведрил (Італія), делпет, парапет (японія).
6. Полістирол
Полістирол (ПС, бакеліт, вестирон, стирон, фостарен, едистер та ін.) – термопластичний полімер лінійної будови. Аморфний безбарвний прозорий крихкий продукт; ступінь полімеризації – n = 600-2500, полідисперсність дорівнює 2-4 залежно від технології одержання; індекс текучості – 2-30. Для полістиролу характерним є легкість переробки, хороша здатність до фарбування в масі й чудові діелектричні властивості. Нижче наведено властивості полістиролу, одержаного шляхом термічної полімеризації стиролу.
Полістирол легко розчиняється у власному мономері, ароматичних і хлорованих вуглеводнях, естерах, ацетоні, не розчиняється в нижчих спиртах, аліфатичних вуглеводнях, фенолах, етерах. має низьке вологовбирання, стійкий до радіоактивного опромінення, у кислотах і лугах, однак, руйнується концентрованою нітратною й крижаною оцтовою кислотами. Легко склеюється. На повітрі за УФ-опромінення полістирол “старіє”: з’являються жовтизна й мікротріщини, відбувається помутніння, збільшується крихкість. Термодеструкція починається за температури 200 °С і супроводжується виділенням мономера. Полістирол не токсичний.
Його недоліки – крихкість і низька теплостійкість; опір ударним навантаженням незначний. За температур понад 60 °С знижується формостійкість.
Полістирол переробляють литтям під тиском і екструзією за температури 190-230 °С. Застосовують як конструкційний, електроізоляційний (плівки, нитки та ін.) і декоративно-оздоблювальний матеріал у приладо – й машинобудуванні, радіо – й електротехніці (наприклад, корпуси й панелі приладів), для виготовлення виробів ширвжитку (посуд, авторучки, іграшки, освітлювальні арматури тощо).
Для одержання матеріалів, що мають більш високі теплостійкість і ударну міцність, ніж полістирол, використовують суміші останнього з іншими полімерами й сополімери стиролу, з яких найбільше промислове значення мають блок – і прищеплені сополімери, так звані ударостійкі матеріали, а також статистичні сополімери стиролу з акрилонітрилом, акрилатами й метакрилатами, ?-метилстиролом і малеїновим ангідридом.
Сополімер стиролу з акрилонітрилом (САН) зазвичай містить 24 % останнього, що відповідає азеотропному складу суміші мономерів і дозволяє одержувати продукт постійного складу. САН перевершує полістирол за теплостійкістю, міцністю на розтягання, ударною в’язкістю і стійкістю до розтріскування в агресивних рідких середовищах, однак поступається за діелектричними властивостями та прозорістю. Вартість САН значно вища, ніж полістиролу. Аналогічні властивості, але кращі прозорість і стійкість до УФ-опромінення має потрійний сополімер стирол-акрилонітрил-метилметакрилат; однак його вартість вища, ніж вартість САН.
Полістирол і пластмаси на основі сополімерів стиролу становлять групу полістирольних пластиків, у деяких сополімерах уміст стиролу – менш ніж 50 %.
IV. Первинне застосування одержаних знань
Фронтальна робота
¦ Назвіть властивості й галузі застосування поліетилену.
¦ Які властивості характерні для виробів з полівінілхлориду? Де застосовуються такі вироби?
¦ Чому відходи термопластичних полімерів відправляють на вторинну переробку, а відходи термореактивних полімерів – ні? П
¦ Назвіть властивості й галузі застосування поліметилметакрилатів.
¦ Які властивості характерні для феноло-формальдегідних смол?
V. Підбиття підсумків уроку
Підбиваємо підсумки уроку, оцінюємо роботу учнів на уроці.
VI. Домашнє завдання
Опрацювати матеріал параграфа, відповісти на запитання до нього, виконати вправи.
Творче завдання: підготувати повідомлення “Синтетичні каучуки: властивості й застосування”.
(2 votes, average: 4,50 out of 5)