Министерство образования и науки

Российской Федерации

Московская государственная академия

тонкой химической технологии

имени

Кафедра «Химия и технология

высокомолекулярных соединений им. »

,

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ ПО КУРСУ

«ОСНОВЫ ХИМИИ И ФИЗИКИ ПОЛИМЕРОВ»

Москва 2011

УДК 541.64

,

Конспект лекций по курсу «Основы химии и физики полимеров» - М.: МИТХТ имени , 2011. – 134 с.

Данное учебно-методическое пособие предназначено для самостоятельной работы бакалавров, обучающихся по профилю «Технология и переработка полимеров» направления 240100 Химическая технология.

Пособие включает конспективное изложение лекционного материала, содержащего основные понятия, номенклатуру полимеров, характеристики макромолекул, термодинамику полимеризации и поликонденсации, основные методы синтеза макромолекул, химические превращения, модификацию, старение и стабилизацию полимеров и их физические свойства.

© МИТХТ им. , 2011

Раздел №1. Введение. Основные понятия.

В последние десятилетия высокомолекулярные соединения (полимеры) прочно вошли в нашу жизнь. Полимеры - особый вид материалов, обладающих в зависимости от строения молекул самыми разнообразными свойствами и применяемыми в самых различных сферах жизни и деятельности человечества: в промышленности и сельском хозяйстве, в науке и технике, во всех видах транспорта. Современная медицина, как и наш повседневный быт, немыслимы без использования широкого круга полимерных материалов.

В настоящее время полимеры занимают 4 место по объему среди производимых и добываемых материалов. Распределение производимых и добываемых материалов по объему представлено на рис. 1.1, а объем производства и ассортимент основных производимых полимеров – на рис. 1.2.

Рис. 1.1. Место полимеров среди производимых и добываемых материалов

Рис. 1.2. Объем и ассортимент мирового производства полимеров

Какие же свойства отличают полимеры от обычных низкомолекулярных соединений (НМС) и позволяют выделить их в особый вид материалов?

Прежде всего, большая длина и гибкость макромолекул придают полимерам свойство высокоэластичности, т. е. способности к большим (порядка нескольких сотен процентов) обратимым деформациям.

Во-вторых, твёрдые полимерные тела - пластики сочетают высокие модули упругости, сопоставимые по величине с модулями упругости обычных твёрдых тел (неорганическое стекло, металлы, керамика), с высокими разрывными удлинениями (на порядок большими, чем у обычных твёрдых тел). Поэтому полимерные тела менее склонны к хрупкому разрушению.

В-третьих, благодаря высокой анизотропии формы макромолекул полимеров они легко ориентируются в механическом  поле и образуют волокна с высокой прочностью в направлении ориентации. 

Полимеры отличаются от низкомолекулярных соединений и тем, что при растворении проходят сначала через стадию набухания; вязкость разбавленных (до 1 %) растворов полимеров намного превышает вязкость растворов низкомолекулярных соединений той же концентрации. Концентрированные растворы и расплавы полимеров, как и все жидкости, обладают упруго-эластическими свойствами. Высокие молекулярные массы полимеров существенно расширяют спектр их времен релаксации по сравнению с низкомолекулярными жидкостями. Сочетание больших молекулярных масс с высокими межмолекулярными взаимодействиями обуславливают ряд аномальных вязко-упругих свойств полимерных жидкостей, не характерных для низкомолекулярных соединений.

Химические реакции полимеров протекают в большинстве случаев отлично от соответствующих реакций низкомолекулярных аналогов.

Перечисленные отличительные свойства полимеров позволили им войти в число наиболее широко используемых материалов.

Среди полимерных материалов, выпускаемых промышленностью, ведущие позиции занимают:

а) пластические массы и органические стекла;

б) синтетические каучуки;

в) синтетические и искусственные волокна;

г) плёнки и многочисленные декоративно-защитные покрытия (краски, лаки, эмали).

 К высокомолекулярным соединениям относятся также и биологические полимеры (биополимеры), которые обладают рядом уникальных свойств, не характерных для низкомолекулярных соединений. Назовём некоторые из важнейших свойств биополимеров и их функции:

- нуклеиновые кислоты способны кодировать, хранить и передавать генетическую информацию на молекулярном уровне, являясь материальным субстратом наследственности;

- другой класс биополимеров - мышечные белки, способны превращать химическую энергию в механическую работу; эта их сократительная функция лежит в основе мышечной деятельности белков;

- ферменты, глобулярные белки, обладают каталитической функцией, они с большой скоростью и избирательностью осуществляют в живой природе все химические реакции обмена, распада одних и синтеза других веществ.

 Все перечисленные выше особенности свойств полимеров связаны с их цепным строением. Именно цепное строение молекул полимеров является их важнейшим свойством, что позволяет дать им следующее определение:

Полимеры – особый класс химических соединений, специфика свойств которых определяется большой длиной, цепным строением и гибкостью составляющих их макромолекул.

n M → [ - M - ]n

  В свою очередь под макромолекулой понимают совокупность атомов или атомных групп, различных или одинаковых по составу и строению, соединённых химическими связями в линейную или разветвлённую структуру, достаточно высокой молекулярной массы.

Вещества, у которых размеры молекул очень велики и в тысячи раз превышают размеры обычных, называются высокомолекулярными (ВМС).

Мономеры - низкомолекулярные соединения, способные вступать в реакции полимеризации и поликонденсации.

Составное звено – любые атомы или группы атомов, входящие в состав цепи полимера.

Составное повторяющееся звено (СПЗ) – наименьшее составное звено, повторением которого может быть описано строение регулярного полимера.

Пример: молекула полистирола

- в скобках выделено составное повторяющееся звено, а эллипсом – составные звенья.

Во многих случаях составное повторяющееся звено совпадает с мономерным звеном:

Но могут быть и случаи, когда они не совпадают:

Составное повторяющееся звено у полиэтилена –

Мономерное звено –

Степень полимеризации гомополимера - это количество составных (повторяющихся) звеньев, которые входят в макромолекулу.

Среднечисловая молекулярная масса Mn – произведение среднечисловой степени полимеризации Pn и молекулярной массы составного повторяющегося звена M0:

Достаточно высокая молекулярная масса полимеров - понятие относительное. Так, некоторые физико-химические свойства в ряду гомологов изменяются по кривой имеющей вид, представленный на рис. 1.3. Область I - резкое изменение свойств, например температуры плавления (Тпл), приходится на низкомолекулярное соединение (до нескольких сотен у. е.). В области III исследуемое свойство (Тпл) практически не зависит от молекулярной массы - это область высокомолекулярных соединений (молекулярные массы составляют десятки тысяч и выше, для многих полимеров молекулярные массы составляют несколько сотен тысяч у. е.). Наконец, промежуточной области II соответствуют олигомерные соединения с молекулярной массой от нескольких сотен до нескольких тысяч.

Рис. 1.3. Зависимость температуры плавления (Тпл) от молекулярной массы алканов

Таблица 1.1.

Примеры изменения свойств и применения веществ в зависимости от числа атомов С в цепи

Вопросы для самостоятельной проработки:

1.  Какое место занимают полимеры по объему производства в современной промышленности?

2.  Назовите основные свойства полимеров, которые определяют их как особый вид материалов.

3.  Дайте определение следующих понятий: полимер, высокомолекулярное соединение, макромолекула, составное звено, составное повторяющееся звено.

4.  Напишите уравнение, определяющее взаимосвязь молекулярной массы и степени полимеризации.

5.  Понятие о НМС, олигомере и полимере.

Раздел №2. Номенклатура и классификация полимеров

2.1. Номенклатура полимеров

В настоящее время существует 3 основных вида номенклатуры полимеров:

1.  Номенклатура, основанная на названии мономеров (рациональная номенклатура);

2.  Номенклатура, основанная на химической структуре полимерной цепи (систематическая номенклатура IUPAC);

3.  Случайная номенклатура.

2.1.1. Номенклатура, основанная на названии мономеров

Формирование названия:

1.  Приставка "поли" + название мономера (полистирол, полипропилен и т. д.)

2.  Название полимера записывается слитно или в скобках (если название мономера - сложное слово - (поли(винилацетат), поли(метилметакрилат) и т. д.).

Однако эта номенклатура не очень удачна, поскольку один и тот же мономер может образовывать полимеры различного строения, а один и тот же полимер – может образовываться из мономеров различного строения.

Примеры: название "поли(этиленоксид)" может отражать следующие структуры:

Раскрытие различных двойных связей в молекуле акролеина позволяет синтезировать полиакролеин с различным строением:

Макромолекула полимера, называемого обычно полиэтиленом, может быть получена не только полимеризацией этилена (путь 1), но и за счет ряда других реакций (пути 2-4).

2.1.2. Номенклатура, основанная на химической структуре полимерной цепи (систематическая номенклатура IUPAC)

При помощи этой номенклатуры удобно называть органические полимеры, состоящие из одного вида составного повторяющегося звена и имеющие линейную цепь.

Формирование названия: приставка "поли" + (название СПЗ по номенклатуре IUPAC), СПЗ – составное повторяющееся звено.

·  Необходимо идентифицировать СПЗ, т. е. выделить из структуры фрагмент, повторением которого можно получить структуру макромолекулы;

·  Необходимо учесть расположение и ориентацию этого звена в цепи;

·  Назвать СПЗ по номенклатуре IUPAC.

Таблица 2.1.2.1.

Названия основных полимеров

2.1.3. Случайная номенклатура (в т. ч. торговые марки полимеров)

Закономерностей в образовании названий нет.

Примеры названий:

- Лавсан (терилен, дакрон, милар) - поли(этилентерефталат)

- винипласт (ПВХ) - поли(винилхлорид)

- тефлон (фторопласт-4) - поли(тетрафторэтилен)

-плексиглас (органическое стекло) - поли(метилметакрилат)

- Ргоfах, Ро1урго (США); данлай, донбанд (Япония), Ргораtеn (Великобритания) – полипропилен.

Таблица 2.1.3.1.

Торговые марки полипропилена

Таблица 2.1.3.2.

Основные зарубежные аналоги отечественного полипропилена

2.2. Классификация полимеров

2.2.1. По происхождению

- природные (существующие в природе): целлюлоза, крахмал, хитин, белки, нуклеиновые кислоты и др.

- синтетические полимеры (не существующие в природе, синтезированные): полиэтилен, полипропилен и др.

- искусственные (модификации природных полимеров, получаемые синтетически): нитроцеллюлоза, бензилцеллюлоза, метилцеллюлоза, ацетатцеллюлоза и др.

2.2.2. По областям применения

·  пластические массы и органические стекла

·  синтетические каучуки

Если Тст>Ткомн, то полимер относят к пластикам (стирол, ПВХ, полиметилметакрилат и др.)

Если Тст<Ткомн, то полимер относят к синтетическим каучукам (СК), где Тст – температура стеклования, Ткомн – комнатная температура

·  синтетические и искусственные волокна

·  пленки и многочисленные декоративно-защитные покрытия (лаки, краски, эмали)

·  биомедицинские материалы.

2.2.3. По топологии (геометрии скелета макромолекул)

Таблица 2.2.3.1.

Типы геометрии скелета макромолекул

2.2.4. По наличию в макромолекуле одного или нескольких типов мономерных звеньев

гомополимеры, состоящие из мономерных звеньев одного типа; сополимеры, состоящие из нескольких различных видов мономерных звеньев (бинарные сополимеры, терполимеры, мультикомпонентные сополимеры).

Таблица 2.2.4.1.

Виды сополимеров

2.2.5. Химическая классификация

Классификация осуществляется по типу атомов, входящих в цепь:

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10