Залежність властивостей полімерів від їхньої будови. Термопластичні й термореактивні полімери

II Семестр

Тема 6. СИНТЕТИЧНІ ВИСОКОМОЛЕКУЛЯРНІ РЕЧОВИНИ Й ПОЛІМЕРНІ МАТЕРІАЛИ НА ЇХНІЙ ОСНОВІ

Урок 58

Тема уроку. Залежність властивостей полімерів від їхньої будови. Термопластичні й термореактивні полімери

Цілі уроку: формувати в учнів уявлення про високомолекулярні речовини; ознайомити зі складом і застосуванням полімерних матеріалів на їхній основі, з класифікацією полімерних матеріалів; розширити знання учнів про хімічні реакції на прикладі реакцій полімеризації й поліконденсації; вивчити головні

закономірності їх перебігу; ознайомити учнів зі складом і будовою деяких сучасних полімерних матеріалів, властивостями термопластичних і термореактивних полімерів.

Тип уроку: вивчення нового матеріалу.

Форми роботи: розповідь учителя, фронтальна, групова робота, демонстраційний експеримент.

Демонстрація. 1. Зразки пластмас, синтетичних волокон, каучуків.

Обладнання: схема реакцій полімеризації й поліконденсації.

ХІД УРОКУ

I. Організація класу

II. Актуалізація опорних знань.

Мотивація навчальної діяльності

Фронтальна бесіда

1) Напишіть реакцію одержання поліетилену

з етилену.

2) За яких умов можлива така реакція?

Полімеризація алкенів зумовлена нагріванням, тиском, опроміненням, дією вільних радикалів або каталізаторів. У спрощеній формі таку реакцію на прикладі етилену можна представити так:

3) Які органічні речовини можуть вступати в реакції полімеризації? Наведіть приклади.

4) Чи можна зарахувати реакцію синтезу білка до реакцій полімеризації? Чому? Як називаються реакції такого типу?

III. Вивчення нового матеріалу

ЗАЛЕЖНІСТЬ ВЛАСТИВОСТЕЙ ПОЛІМЕРІВ ВІД ЇХНЬОЇ БУДОВИ. ТЕРМОПЛАСТИЧНІ Й ТЕРМОАКТИВНІ ПОЛІМЕРИ.

ЗАЛЕЖНІСТЬ ВЛАСТИВОСТЕЙ ПОЛІМЕРІВ ВІД ЇХ БУДОВИ ТЕРМОПЛАСТИЧНІ Й ТЕРМОАКТИВНІ ПОЛІМЕРИ

1. Поняття про полімерні матеріали

Полімерні матеріали – це матеріали на основі високомолекулярних сполук.

Полімерні матеріали – найважливіший клас сучасних матеріалів, що широко використовується в усіх галузях техніки й технології, у сільському господарстві й побуті. Вони вирізняються широкими можливостями регулювання складу, структури й властивостей. Головні переваги полімерних матеріалів: низька вартість, порівняна простота, висока продуктивність, незначна енергоємність і маловідходність методів одержання й переробки, невисока густина, висока стійкість до агресивних середовищ, атмосферних і радіаційних впливів і ударних навантажень, низька теплопровідність, високі оптичні, радіо – й електротехнічні властивості, чудові адгезійні властивості. Недоліки полімерних матеріалів: низька тепло – й термостійкість, значне теплове розширення, схильність до повзучості й релаксації напруг; для багатьох полімерних матеріалів – горючість.

Головні типи полімерних матеріалів: пластичні маси й композиційні матеріали (композити), гуми, лакофарбові матеріали й лакофарбові покриття, клеї, компаунди полімерні, герметики, полімербетон, волокнисті плівкові й листові матеріали (волокніти, тканини, неткані матеріали, плівки полімерні, шкіра штучна, папір тощо).

За призначенням полімерні матеріали поділяються на конструкційні загального призначення і функціональні (наприклад, фрикційні й антифрикційні, тепло – й електроізоляційні, електропровідні, термоіндикаторні, п’єзоелектричні, оптично активні, магнітні, фоторезисторні, антикорозійні, абляційні).

За природою головної (полімерної) фази (сполучного або плівкоутворювального полімеру) полімерні матеріали можуть бути природними (натуральними) і хімічними (штучними або синтетичними).

За характером фізичних і хімічних перетворень, що відбуваються у полімерній фазі на стадіях одержання й переробки, полімерні матеріали, як і пластичні маси, поділяються на термопластичні й термореактивні.

У виробництві термореактивних полімерних матеріалів із природних полімерів найширше використовують похідні целюлози, із синтетичних – широкий клас карбо – й гетероланцюгових гомополімерів, статистичних, таких, що чергуються, блок – і прищеплених сополімерів, їхніх сумішей і сплавів.

У виробництві термореактивних полімерних матеріалів використовують мономери, олігомери, форполімери, масла та смоли, що містять ненасичені й циклічні групи, які реагують без виділення низькомолекулярних речовин і мають порівняно невеликі об’ємні усадки, ненасичені полі – й олігоестери, епоксидні олігомери та смоли, олігоізоціанати, бісмалеїніміди, спіроцикличні мономери й олігомери тощо. їхній склад і структура, тип і кількість речовини для затвердіння, зшивного агента, ініціатора й каталізатора, прискорювача або інгібітора визначаються типом полімерного матеріалу (пластична маса, армований пластик, лакофарбовий матеріал, клей та ін.) і вимогами, що висуваються до їх технологічних і експлуатаційних властивостей.

Для регулювання технологічних і експлуатаційних властивостей полімерної фази полімерних матеріалів у неї на стадії синтезу полімеру або створення матеріалу вводять хімічно інертні або активні модифікатори – розчинники, пластифікатори, або пом’якшувачі, розріджувачі, загусники або змазки, структуроутворювачі, барвники, антипірени, антиоксиданти, антиозонанти, речовини, що запобігають “старінню”, термо – і світлостабілізатори, антиради, наповнювачі й ПАР; для одержання пористих полімерних матеріалів уводять, крім того, і пороутворювачі.

Способи й умови переробки полімерних матеріалів визначаються типом матеріалу (термопластичний чи термореактивний) та його вихідним станом, тобто типом напівфабрикату (плавкий порошок, гранули, розчини або розплави, дисперсії), а також видом наповнювачів – ниток, джгутів, стрічок, тканин, паперу, плівок та їхніх сполучень з полімерною фазою.

2. Реакції синтезу високомолекулярних сполук

Реакція полімеризації

Однією з найважливіших у практиці реакцій неграничних сполук (або олефінів) є полімеризація. реакцією полімеризації називається процес утворення високомолекулярної сполуки (полімеру) шляхом з’єднання одна з одною молекул вихідної низькомолекулярної сполуки (мономера). Під час полімеризації подвійні зв’язки в молекулах вихідної неграничної сполуки “розкриваються”, і за рахунок вільних валентностей, що утворюються, ці молекули з’єднуються між собою.

Залежно від механізму реакції можлива полімеризація двох видів:

1) радикальна, або ініційована;

2) іонна, або каталітична.

Розглянемо механізм реакції полімеризації на прикладі знайомої нам реакції полімеризації етилену.

Радикальна полімеризація

(Розглянемо схему реакції полімеризації.)

Радикальна полімеризація спричиняється (ініціюється) речовинами, здатними в умовах проведення реакції розпадатися на вільні радикали, наприклад пероксидами, а також дією тепла і світла.

Розглянемо механізм радикальної полімеризації.

На початковій стадії радикал-ініціатор атакує молекулу етилену, зумовлюючи при цьому гомолітичне розщеплення подвійного зв’язку, приєднується до одного з атомів Карбону й утворює новий радикал. Радикал, що утворився, атакує наступну молекулу етилену й за описаним способом створює ще один новий радикал, який спричиняє подальші аналогічні перетворення вихідної сполуки.

Як бачимо, частка полімеру, що росте, аж до моменту стабілізації являє собою вільний радикал. Радикал-ініціатор входить до складу молекули полімеру, утворюючи його кінцеву групу.

Елементну ланку поліетилену можна описати так:

(-CH2 – CH2-).

Обрив ланцюга відбувається або в разі зіткнення з молекулою регулятора росту ланцюга (ним може бути спеціально додана речовина, що легко віддає атом Гідрогену або галогену), або внаслідок взаємного насичення вільних валентностей двох полімерних ланцюгів, які ростуть, з утворенням однієї полімерної молекули.

Іонна, або каталітична, полімеризація

Іонна полімеризація відбувається завдяки утворенню з молекул мономера реакційно-здатних іонів. Саме від назви частки полімеру, що росте в процесі реакції, походять назви полімеризації – катіонна й аніонна.

Каталізаторами катіонної полімеризації є кислоти, хлориди Алюмінію, Бору та ін. Каталізатор зазвичай регенерується і не входить до складу полімеру.

Механізм катіонної полімеризації етилену в присутності кислоти як каталізатора можна представити так.

Протон атакує молекулу етилену, причиняючи розрив подвійного зв’язку, приєднується до одного з атомів Карбону й утворює карбонієвий катіон, або карбкатіон.

Такий тип розпаду ковалентного зв’язку називається гетеролітичним розщепленням (від грецьк. heteros – “інший”, “різний”).

Утворений карбкатіон атакує наступну молекулу етилену й аналогічно приводить до утворення нового карбкатіону, що зумовлює подальші перетворення вихідної сполуки.

Обрив ланцюга може відбутися внаслідок захоплення катіоном, що зростає, відповідного аніона або через утрату протона й утворення кінцевого подвійного зв’язку.

Каталізаторами аніонної полімеризації є деякі металоорганічні сполуки, аміди лужних металів тощо.

Механізм аніонної полімеризації етилену під впливом металал-кілів можна представити так:

Утворений карбаніон атакує наступну молекулу етилену й за описаним способом приводить до утворення нового карбаніона, що зумовлює подальші аналогічні перетворення вихідної сполуки на полімерний продукт із заданим ступенем полімеризації, тобто із заданим числом мономерних ланок.

Частка полімеру, що зростає, як бачимо, є карбаніоном.

3. Реакція поліконденсації

Конденсацією називається реакція, що приводить до ускладнення карбонового скелета й виникнення нового карбонового зв’язку, причому з двох або більше відносно простих молекул утворюється нова, більш складна молекула. Зазвичай у результаті реакції конденсації виділяється молекула води або іншої низькомолекулярної речовини.

Конденсація, що приводить до утворення високомолекулярних сполук, називається реакцією поліконденсації.

Практичне значення має реакція поліконденсації формальдегіду з фенолом (каталізатори – кислоти або основи):

Для фенолу це реакція електрофільного заміщення (SE), а для формальдегіду – нуклеофільне приєднання (An).

Подальша взаємодія з іншими молекулами формальдегіду й фенолу приводить до утворення феноло-формальдегідних смол.

IV. Первинне застосування одержаних знань

Фронтальна робота

1) Який процес називається полімеризацією? Які ознаки повинні мати речовини, що вступають у реакцію полімеризації?

2) Який процес називається поліконденсацією? Які ознаки повинні мати речовини, що вступають у реакцію поліконденсації?

3) Що спільного й чим відрізняються молекула мономера й структурна ланка утвореного ним полімеру?

4) Назвіть загальні фізичні властивості полімерів.

Розглядаємо зразки виробів з полімерних матеріалів.

Демонстрація 1. Зразки пластмас синтетичних волокон, каучуків

5) Що таке пластмаси? Які компоненти входять до їхнього складу?

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: скласти характеристику одного з полімерів: поліетилен, поліпропілен, полівінілхлорид, полістирол, поліметилметакрилат, феноло-формальдегідна смола.