Первые упоминания о синтетических полимерах отно­сятся к 1838 (поливинилиденхлорид) и 1839 (полистирол). Ряд полимеров, возможно, был получен еще в первой половине 19 века. Но в те времена химики пытались подавить полимеризацию и поликонденсацию, которые вели к “осмолению” продуктов основной химической реакции, т.е. к образованию полимеров (полимеры и сейчас часто называют “смолами”)

В 1833 И.Берцелиусом для обозначения особого вида изомерии впервые был применен термин “поли­мерия”. В этой изомерии вещества (полимеры), имеющие одинаковый состав, обладали различной молекулярной массой, например этилен и бутилен, кислород и озон. Однако тот термина имел несколько другой смысл, чем современные представления о полимерах. “Истинные” синтетические полимеры к тому времени еще не были известны.

А.М.Бутлеров изучал связь между строением и относительной устойчивостью мо­лекул, проявляющейся в реакциях поли­меризации. После создания А.М.Бутлеровым теории химического строения возникла химия полимеров. Наука о полимерах по­лучила свое развитие главным образом благодаря интенсивным поискам способов синтеза каучука. В этих исследованиях принимали участие учёные многих стран, такие как: Г.Бушарда, У.Тилден, немецкий учёный К Гарриес, И.Л.Кондаков, С.В.Лебедев и другие. Большую роль в развитии представлений о поликонденса­ции сыграли работы У.Карозерса

В 30-х годах было до­казано существование свободнорадикального и ионного механиз­мов полимеризации

С начала 20-х годов 20 века Г.Штаудингер стал автором принципиально но­вого представления о полимерах как о веществах, состоящих из макромолекул, частиц необычайно большой молекулярной массы. До этого предполагалось, что такие био­полимеры, как целлюлоза, крахмал, кау­чук, белки, а также некоторые син­тетические полимеры, сходные с ними по свойствам (например, полиизопрен), состоят из малых молекул, обладающих необычной способ­ностью ассоциировать в растворе в комп­лексы коллоидной природы благодаря нековалентным связям (теория “малых блоков”). Однако открытие Г.Штаудингера заставила рассматривать полимеры как качественно новый объект исследования химии и физики

Полимеры – это химические соединения с высокой молекулярной массой (от нескольких тысяч до многих миллионов), молекулы которых (макромо­лекулы) состоят из большого числа повто­ряющихся группировок (мономерных звеньев). Атомы, входящие в состав мак­ромолекул, соединены друг с другом силами главных и (или) координационных валентностей

Классификация полимеров.

Полимеры можно классифицировать по происхождению полимеры. Они делятся на природные (биополимеры) и синтети­ческие. К биополимерам можно отнести белки, нуклеиновые кислоты, природные смолы, а к синтетическим полимерам - полиэтилен, полипропилен, феноло-формальдегидные смолы

Полимеры классифицируются еще и по расположению атомов в макромолекуле. Атомы или атомные группы могут распо­лагаться в макромолекуле в виде:

откры­той цепи или вытянутой в линию после­довательности циклов (линейные полимеры, например каучук натуральный);

цепи с разветвлением (разветвленные полимеры, например амилопектин), трехмерной сетки (сшитые полимеры, например отверждённые эпоксидные смолы)

Полимеры, молекулы которых состоят из одинаковых мономерных звеньев, называются гомополимерами (к ним относят: поливинилхлорид, поликапроамид, целлюлоза)

С точки зрения химической структуры полим ров, испо ьзуемых в тепличных хозяйствах такого рода, можно отм тить преимущественное использован ие полиэтилена непластифицированного поливинилхлорида и в м ен ь ше й м ре пол и амидов. Полиэтиленовы пл нки отличаются лучшей светопроницаемостью, лучшими прочностными свойствами, но худшей погодоустойчивостью и сравнительно высокими теплопотерями. Они могут исправно служить лишь 1-2 сезона. Полиамидные и другие пленки пока применяются сравнительно редко

Другая область широкого применения полимерных материалов в сельском хозяйстве - мелиорация. Тут и разнообразные формы труб и шлангов для полива, особенно для самого прогрессивного в настоящее время капельного орошения; тут и перфорированные пластмассовые трубы для дренажа. Интересно отметить, что срок службы пластмассовых труб в системах дренажа, например, в республиках Прибалтики в 3-4 раза дольше, чем соответствующих керамических труб. Вдобавок использование пластмассовых труб, особенно из гофрированного поливинилхлорида, позволяет почти полностью исключить ручной труд при прокладке дренажных систем

Два остальных главных направления использования полимерных материалов в сельском хозяйстве - строительство, особенно животноводческих помещений, и машиностроение

Овцы в синтетических шубах

Овца, как известно, животное неразумное. Особенно - меринос. Знает ведь, что шерсть нужна хозяину чистой, а все-таки то в пыли изваляется, то, продираясь по кустам, колючек на себя нацепляет. Мыть и чистить овечью шерсть после стрижки - процесс сложный и трудо е к й. Чтобы упростить его, чтобы защитить шерсть от за грязнений, австралийские овцеводы изобрели попону из полиэтиленовой ткани. Надева ют е на ов цу сра з по сле стрижки, затягивают ре иновыми застежками. Овца рас­тет, и шерсть на ней растет, распирает попону, а резинки слабеют, попона все время как по мерке сшита. Но вот беда: под австралийским солнцем сам полиэтилен хруп­ким становится. И с этим справились с помощью аминных стабилизаторов. Осталось еще приучить ов­цу не рвать полиэтиленовую ткань о колючки и заборы

Нумерованные животные

Начиная с 1975 года весь крупный рогатый скот, а также овцы и козы в государственных хозяйствах Чехословакии должны носить в ушах свое­образные сережки - пластмассовые таблички с указа­нием основных данных о животных. Эта новая форма регистрации животных должна заменить пр менявшееся ранее клеймение, что признано специалистами негигие­ничным. Миллионы пластмассовых табличек должны вы­пускать артели местной промышленности

Микроб - кормилец

Комплексную задачу очистки сточных вод целлю­лозно-бумажного производства и одновременного произ­водства кормов для животноводства решили финские ученые. Специальную культуру микробов выращивают на отработанных сульфитных щелоках в специальных ферментаторах при 38° С, одновременно добавляя туда аммиак. Выход кормового белка составляет 50-55%; его с аппетитом поедают свиньи и домашняя птица

Синтетическая травка

Традиционно принято многие спортивные мероприя­тия проводить на площадках с травяным покрытием. Футбол, теннис, крокет... К сожалению, динамичное раз­витие спорта, пиковые нагрузки у ворот или у сетки при­водят к тому, что трава не успевает подрасти от одного состязания до другого. И никакие ухищрения садовников не могут с этим

справиться. Можно, конечно, прово­дить аналогичные состязания на площадках, скажем, с асфальтовым покрытием, но как же быть с традицион­ными видами спорта? На помощь пришли синтетические материалы. Полиамидную пленку толщиной 1/40 мм (25 мкм) нарезают на полоски шириной 1,27 мм, вытя­гивают их, извивают, а затем переплетают так, чтобы получить легкую объемную массу, имитирующую траву. Во избежание пожара к полимеру загодя добавля­ют огнезащитные средства, а чтобы из-под ног у спортсменов не посыпались электрическое искры -антиста­тик. Коврики из синтетической травы наклеивают на подготовленное основание - и вот зам готов травяной корт или футбольное поле, или иная спортивная пло­щадка. А по мере износа отдельные участки игрового поля можно заменять новыми ковриками, изготовленны­ми по той же технологии и того же зеленого цвета.

Полимеры в машиностроении

Ничего удивительного в том, что эта отрасль - главный потребитель чуть ли не всех материалов, производимых в нашей стране, в том числе и полимеров. Использование полимерных материалов в машиностроении растет такими темпами, какие не знают прецедента во всей человеческой истории. К примеру, в 1976 1. маши­ностроение нашей страны потребило 800000 т пласт масс, а в 1960 г. - всего 116 000 т. При этом интересно отметить, что еще десять лет назад в машиностроение направлялось 37-38% всех выпускающихся в нашей стране пластмасс, а 1980 г. доля машиностроения в использовании пластмасс снизилась до 28%. И дело тут не в том, что могла бы снизится потребность, а в том, что другие отрасли народного хозяйства стали при­менять полимерные материалы в сельском хозяйстве, в строительстве, в легкой и пищевой промышленности еще более интенсивно

При этом уместно отметить, что в последние годы несколько изменилась и функция полимерных материалов в любой отрасли. Полимерам стали доверять все более и более ответственные задачи. Из полимеров ста­ли изготавливать все больше относительно мелких, но конструктивно сложных и ответственных деталей машин и механизмов, и в то же время все чаще полимеры стали применяться в изготовлении крупногабаритных корпус­ных деталей машин и механизмов, несущих значитель­ные нагрузки. Ниже будет подробнее рассказано о при­менении полимеров в автомобильной и авиационной промышленности, здесь же упомянем лишь один при­мечательный факт: несколько лет назад по Москве ходил цельнопластмассовый трамвай. А вот другой факт: чет­верть всех мелких судов - катеров, шлюпок, лодок - теперь строится из пластических масс

До недавних пор широкому использованию полимерных материалов в машиностроении препятствовали два, казалось бы, общепризнанных недостатка полимеров: их низкая (по сравнению с марочными сталями) прочность и низкая теплостойкость. Рубеж прочностных свойств полимерных материалов удалось преодолеть переходом к композиционным материалам, главным образом стекло и углепластикам. Так что теперь выражение “пластмасса прочнее стали” звучит вполне обоснованно. В то же время полимеры сохранили свои позиции при массовом изготовлении огромного числа тех деталей, от которых не требуется особенно высокая прочность: заглушек, штуцеров, колпачков, рукояток, шкал и корпусов измерительных приборов. Еще одна область, специфическая именно для полимеров, где четче всего проявляются их преимущества перед любыми иными материалами, - это область внутренней и внешней отделки

То же самое можно сказать и о машиностроении. Почти три четверти внутренней отделки салонов легковых автомобилей, автобусов, самолетов, речных и морских судов и пассажирских вагонов выполняется ныне из декоративных пластиков, синтетических пленок, тканей, искусственной кожи. Более того, для многих машин и аппаратов только использование антикоррозионной отделки синтетическими материалами обеспечило их надежную, долговременную эксплуатацию. К примеру, многократное использование изделия в экстремальных физико-технических условиях (космосе) обеспечивается, в частности, тем, что вся его внешняя поверхность покрыта синтетическими плитками, к тому же приклеенными синтетическим полиуретановым или полиэпоксидным клеем. А аппараты для химического производства? У них внутри бывают такие агрессивные среды, что никакая марочная сталь не выдержала бы. Единственный выход - сделать внутреннюю облицовку из платины или из пленки фторопласта. Гальванические ванны могут работать только при условии, что они сами и конструкции подвески покрыты синтетическими смолами и пластиками

Широко применяются полимерные материалы и в такой отрасли народного хозяйства, как приборостроение. Здесь получен самый высокий экономический эффект в среднем в 1,5-2,0 раза выше, чем в других отраслях машиностроения. Объясняется это, в частности тем, что большая часть полимеров перерабатывается в приборостроении самыми прогрессивными способами, что повышает уровень полезного использования (и безотходность отходность) термопластов, увеличивает коэффициент замены дорогостоящих материалов. Наряду с этим значительно снижаются затраты живого труда. Простейшим и весьма убедительным примером может служить изготовление печатных схем: процесс, не мыслимый без полимерных материалов, а с ними и полностью автоматизированный

Есть и другие подотрасли, где использование полимерных материалов обеспечивает и экономию материальных и энергетических ресурсов, и рост производительности труда. Почти полную автоматизацию обеспечило применение полимеров в производстве тормозных систем для транспорта. Неспроста практически все функциональные детали тормозных систем для автомобилей и около 45% для железнодорожного подвижного состава делаются из синтетических пресс-материалов. Около 50% деталей вращения и зубчатых колес изготовляется из прочных конструкционных полимеров. В последнем случае можно отметить две различных тенденции. С одной стороны, все чаще появляются сообщения об изготовлении зубчатых колес для тракторов из капрона. Обрывки отслуживших свое рыболовных сетей, старые чулки и путанку капроновых волокон переплавляют и формуют в шестерни. Эти шестерни могут работать по­чти без износа в контакте со стальными, вдобавок такая система не нуждается в смазке и почти бесшумна. Дру­гая тенденция - полная замена металлических деталей в редукторах на детали из углепластиков. У них тоже отмечается резкое снижение механических потерь, долговременность срока службы

Еще одна область применения полимерных материалов в машиностроении, достойная отдельного упомина­ния, - изготовление металлорежущего инструмента. По мере расширения использования прочных сталей и спла­вов все более жесткие требования предъявляются к об­рабатывающему инструменту. И здесь тоже на выручку инструментальщику и станочнику приходят пластмассы. Но не совсем обычные пластмассы сверхвысокой твердости, такие, которые смеют поспорить даже с алмазом. Король твердости, алмаз, еще не свергнут со своего трона, но дело идет к тому. Некоторые окислы (например, из рода фианитов), нитриды, карбиды, уже сегодня де­монстрируют не меньшую твердость, да к тому же и большую термостойкость. Вся беда в том, что они пока еще более дороги, чем природные и синтетические алма­зы, да к тому же им свойствен “королевский порок” - они в большинстве своем хрупки. Вот и приходится, чтобы удержать их от растрескивания, каждое зернышко такого абразива окружать полимерной упаковкой чаще всего из фенолформальдегидных смол. Поэтому сегодня три четверти абразивного инструмента выпу­скается с применением синтетических смол

Первое место по темпам рос­та применения пластмасс занимает сейчас автомобильная промышлен­ность. К концу 70-х го­дов число используемых видов пластмасс составляло более 30

Перечень деталей автомо­биля, которые в наши дни изготовляют из полимеров, очень широк. Ку­зова и кабины, инструменты и электроизоляция, отделка салона и бамперы, радиаторы и подлокотники, шлан­ги, сиденья, дверцы, капот

Не­сколько разных фирм за рубежом объявили о нача­ле производства цельнопластмассовых автомобилей

По хими­ческой структуре, первые места по объему занимают стирольные пластики, поливинилхлорид и полиолефины. Их активно догоняют полиуретаны, полиэфиры, акрилаты и другие полимеры. На­иболее характерные тенденции в применении пластмасс для автомобилестроения:

Во-первых, это экономия материалов: безотходное или малоотходное формование больших блоков и узлов

Во-вторых, благодаря использованию легких и облегченных полимерных материалов снижает­ся общий вес автомобиля, а значит, будет экономиться горючее при его эксплуатации

В-третьих, выполненные как единое целое, блоки пластмассовых деталей суще­ственно упрощают сборку и позволяют экономить живой труд

Полимерные материалы очень широко применяются в авиационной про­мышленности. К примеру: замена алюминиевого сплава графитопластиком, при изготовлении предкрылка кры­ла самолета, сокращает количество деталей с 47 до 14. Крепеж упрощается - с 1464 до 8 болтов, вес снижается на 22%, а стоимость - на 25%. При этом запас прочности изделия составляет 178%

Лопатки вентиляторов реактивных двигателей, лопасти вертолета рекомендуется делать из поликонденсационных смол, наполненных алюмосиликатными волокнами. Это позволяет снизить вес самолета при сохранении прочности и надежности

При проектировании первого сверхзвукового пассажир­ского самолета “Конкорд” перед англо-французскими конструкторами стояла непростая задача: при тре­нии об атмосферу внешняя поверхность самолета будет разогреваться до 120-150 °С. При таком разогреве требова­лось, чтобы поверхность не поддавалась эрозии в течение, по меньшей мере, 20000 часов. Довольно оригинальное решение проблемы было найдено с помощью покрытия поверхностного слоя обшивки самолета тончайшей пленкой фторопласта

По английскому патенту № 2047188 покрытие несущих поверхностей самолетов или лопастей роторов вертоле­тов слоем полиуретана толщиной всего 0,65 мм в 1,5-2 раза повышает их стойкость к дождевой эрозии

Ракета из пластмассы

Углепластик применяется для изготовления оболочки двигателя ракет. Такая оболочка имеет достаточную прочность на растяжение и изгиб, стойкость к вибрациям и пульсации. На трубу наматывается специальная лента из углеволокна. Для этого она предварительно пропитывается эпоксидными смолами. По­сле того, как смола затвердеет, вспомогательный сердечник убирается и получается труба с содержанием углеволокна более двух третей. Далее заготовку наполняется ракетным топливом, к ней присоединяется отсек для приборов и фотокамер, и ракета готова к полету

Первый шлюз из пластмассы.

Он установлен на одном из каналов в районе Быгдощи в Польше. Это первый мировой опыт применения цельнопластмассового шлюза. Шлюз очень хорошо зарекомендовал себя в эксплуатации. Пластмассовые элементы могут использоваться без замены более 20-лет, а конструкции из дубовых балок, применяемые ранее, приходилось менять каждые 6 лет

Соединение полимерных материалов.

Соединение двух пластмассовых панелей – непростая задача. Их можно при­винтить или приклепать, но для этого необходимо заранее сверлить отверстия Их можно приклеить, но тогда необходимо оборудо­вать рабочее место системой вентиляции. Если обе панели термопластичны, то их можно приварить, но и тут необходима вентиляция, тем более, из-за локальных перегревов соединение может оказаться продеструктировавшим и непрочным

Очень хороший способ, а также оборудование для его реализации, предложила французская фирма “Брансон”. Для этого используется генератор ультразвука мощностью 3 кВт, частотой 20 Кгц, а также “звуководы” и сонотроды. Наконечник сонотрода, вибрируя, прони­кает сквозь верхнюю деталь, толщина которой может достигать 8 мм. Входя в нижнюю деталь, он «захватывает» с собой расплав верхнего полимера. При этом энергия ультразвуковых ко­лебаний преобразуется в тепло лишь на небольших участках, поэтому получается точечная сварка

Полимеры,
их промышленное значение

Природа окружает нас загадками,
и попытка их решения принадлежит
к величайшим радостям жизни.
У.Рамзай

Цели. Закрепить знания о высокомолекулярных соединениях, рассмотреть практическое применение различных полимеров, их свойства и строение; показать пути улучшения качества полимеров и материалов на их основе в связи с возросшими к ним требованиями; рассмотреть некоторые виды полимеров, выпускаемые на ОАО «Нижнекамскнефтехим».

Оборудование. Коллекции пластмасс, различные виды каучука.

ХОД УРОКА

Учитель (вводное слово). В начале 70-х гг. ХХ в. любознательные туристы обнаружили в глухом углу бескрайних сибирских лесов семью, прожившую вдали от городов и сел несколько десятков лет. Это семья Лыковых. Что же поразило отшельников больше всего среди вещей, принесенных туристами? Прозрачная полиэтиленовая пленка!

«Стекло, а мнется», – восхищенно сказал седобородый глава семьи, рассматривая полиэтилен, один из многих синтетических материалов, придуманных химиками для облегчения и улучшения нашего хозяйства и быта.

Почему же возникла необходимость в создании полимеров, какими ценными свойствами они обладают, какие полимеры выпускает ОАО «Нижнекамскнефтехим» и где их применяют? Это те вопросы, которые мы должны сегодня рассмотреть на уроке.

Синтетические материалы: пластмассы, каучуки, синтетические волокна – начали производить немногим более 70 лет назад. Несмотря на это, они во многих отношениях превосходят давно известные материалы. Правда, у каждого из них, как и у природных материалов, есть свои недостатки, и при выборе приходится их учитывать и сопоставлять с достоинствами. Главное преимущество пластмасс по сравнению с металлами заключается в том, что их свойства легче регулировать. Поэтому пластмассы быстрее и лучше можно приспособить к требованиям практики. Послушаем сообщение учащегося .

1-й ученик.С каждым днем открываются новые области практического использования полимеров в приборо- и машиностроении, радио- и электротехнике, телевидении, жилищном строительстве, судо-, авто-, самолето- и ракетостроении. Действительно, в настоящее время создана совершенно новая промышленность строительных материалов. Древесно- и стружечно-волокнистые материалы получаются при пропитке синтетическими смолами опилок, стружек и других отходов деревообрабатывающей отрасли промышленности с последующим прессованием. Это красивые по внешнему виду, прочные и дешевые отделочные материалы, не уступающие по своим качествам дорогим древесным породам (дубу, красному дереву и др.). Очень ценными свойствами обладают стеклопластики , которые готовят пропиткой стеклоткани синтетическими смолами с последующим прессованием в листовой материал исключительной прочности. Лучшие сорта стеклопластика превосходят по прочности некоторые сорта легированных сталей. Кроме того, стеклопластики в 5 раз легче стали и в 2 раза легче алюминия. Эти легкие, прочные и стойкие к коррозии металлы уже сейчас начинают успешно конкурировать с легкими металлами. Так, например, пластмассовый кузов автомобиля прочнее обычного металлического и выдерживает без всякой деформации удары молота. В самолете ТУ-104 насчитывается 120 000 деталей из пластика. В искусственных спутниках Земли значительная часть конструкции двигателей и приборов сделана из синтетических материалов. Сейчас уже имеются первые образцы прочных красивых пластмассовых автомобилей, судов и даже домов, где вся обстановка изготовлена также из синтетических материалов.

Очень ценными синтетическими полимерными материалами являются пенопласты , или поропласты . Пенопласты дешевы, прочны, непроницаемы для воды, газов и похожи на застывшую пену. Пенопласты получают в результате заполнения большей части их объема воздухом или азотом. При рассмотрении под микроскопом таких сверхлегких пластиков видно, что они состоят из миллиардов крошечных замкнутых пузырьков. Пенопласты необычайно легки. Некоторые из них в 700 раз легче стали, в 100 раз легче воды и в 25 раз легче пробки. Домики из пенопластов прекрасно зарекомендовали себя на наших полярных станциях благодаря высоким тепло-, звуко- и электроизоляционным свойствам.

Возрастает применение полимерных синтетических материалов при создании новых легких, прочных образцов мебели, невыгорающих и легко моющихся обоев, легкой, прочной обуви, новых красивых тканей, немнущихся, не выгорающих на солнце и не боящихся дождя, прочных на истирание синтетических ковров и т.д.

По-новому будут решаться вопросы здравоохранения благодаря применению ионообменных смол (иониты), обладающих способностью очищать от примесей питьевую воду, различные лекарственные субстанции, антибиотики. Хирурги успешно заменяют пораженные участки кровеносных сосудов, трахей, бронхов и даже пищевода прочными и эластичными пластмассовыми трубками. Искусственные кровеносные сосуды со временем обрастают капсулой из клеток организма и не вызывают воспалительных процессов, т.к. обладают еще и бактерицидным действием. Синтетический полимерный клей склеивает кости и быстро излечивает переломы. Специальные водорастворимые полимеры с успехом могут заменить до 30% человеческой крови. Такую синтетическую кровь можно переливать любому человеку, независимо от особенностей крови больного. Мы стоим на пороге новых интересных открытий. Поэтому с полным основанием можно называть наш век не только веком атомной энергии и освоения космоса, но и веком полимеров.

Учитель. Какие же преимущества у пластмасс?

а) Низкая плотность (легкие), негигроскопичность;

б) отсутствие запаха и вкуса;

в) стойкость к коррозии;

г) стойкость к кислотам и щелочам;

д) изделиям из пластмассы можно придать любую форму;

е) поддаются крошению;

ж) обладают электро- и теплоизоляционными свойствами;

з) прочность к истиранию.

Учитель показывает коллекцию пластмасс.

Учитель. Лауреатами Нобелевской премии по химии в 2000 г. стали американские исследователи Алан Хигер и Алан Мак-Диармид, а также японский химик Хидеки Сиракава. Ими созданы электропроводящие полимеры. В одном из сотен опытов по синтезу полиацетилена Сиракава использовал ошибочно высокую концентрацию катализатора. Результатом этой ошибки было образование прекрасных серебристых пленок полиацетилена с характерным металлическим блеском. Американские химики в это время исследовали металлические свойства неорганического полимера нитрида серы (SN) n .

Ученые объединили усилия в поиске способов синтеза полимерных пленок с электропроводящими свойствами. Исследователям удалось добиться желаемого за счет обработки полиацетилена парaми галогенов – брома или йода.

Открытие этими учеными высокой электропроводности модифицированных полимеров оказало большое влияние на науку о полимерах, положило начало исследованию «синтетических металлов» и послужило основой для получения целого ряда новых материалов. Проводящие полимеры применяют в качестве ингибиторов коррозии, антистатических покрытий, защитных экранов от электромагнитного излучения и т.д.

Сейчас химики разрабатывают различные синтетические ткани, пленки, волокна, пластмассы из созданных в лаборатории полимеров. Один из них – тефлон (демонстрация полимера). Тефлон – белое вещество, напоминающее парафин. Обладает высокой тепло- и морозостойкостью, прекрасный изоляционный материал. По химической стойкости он превышает все известные синтетические материалы и благородные металлы. Не разрушается при действии кислот и щелочей, даже царской водки. Применяется в химической и пищевой отраслях промышленности, в медицине, ядерной технике.

Задание классу . Выведите формулу этого полимера, если известно, что его получают из фторпроизводного этилена, которое содержит по массе 76 ?% фтора. Плотность этого соединения по водороду равна 50. Напишите уравнение реакции полимеризации.

Один ученик работает у доски, остальные выполняют задание в тетради.

Учитель. Основу большинства пластичных и эластичных полимеров составляют каучуки , различные виды которых выпускает и ОАО «Нижнекамскнефтехим». Об истории открытия каучуков, их строении и синтезе расскажут учащиеся.

Сообщения учащихся.

2-й ученик. Природные и полученные в лаборатории органические соединения современная химия превращает в многочисленные полимеры, которые обычно относят к одному из трех больших отрядов веществ: пластическим массам, химическим волокнам и эластомерам. Основу большинства гибких и пластических эластомеров составляют каучуки.

Каучуки… Откуда появилось это странное название?

История открытия, изучения, улучшения свойств и искусственного воспроизведения этого чудо-материала ярка и увлекательна!

Где-то в зарослях тропического леса Центральной и Южной Америки у ствола гигантского дерева гевеи присел один из местных жителей. Из разреза в коре дерева он собирает вытекающий сок, быстро густеющий на воздухе. Этот сок индейцы называют «каучу», что в переводе означает «слеза дерева».

В XI в. жители Перу, одной из стран Южной Америки, научились защищать свою обувь от влаги с помощью сока гевеи. Обувь обмакивают в «каучу» и полученную пленку коптят на костре. Обувь становится непромокаемой!

Моряки второй экспедиции Колумба к берегам Америки, высадившиеся на остров Гаити в 1496 г., с удивлением наблюдали, как островитяне играют в мяч, который высоко подпрыгивает при ударе о землю. Известные в Европе мячи из кожи и шерсти не обладали такой прыгучестью. Жители Гаити делали свои мячи из каучука! Так назвали новый материал европейцы, прибавив одну букву к местному названию удивительного природного полимера. Мяч из каучука, подаренный Христофором Колумбом испанской королеве Изабелле Кастильской, долго служил развлечением для ее двора.

Одежду, пропитанную каучуком, привезли португальские мореплаватели своему королю. Короля, облаченного в нее, облили водой, но он «вышел сухим из воды».

Участник экспедиции в Южную Америку Ш.М. Кондамин представил во Французскую академию наук в 1738 г. первое научное описание каучука, его свойств, способов добычи и обработки.

3-й ученик. Известный химик Джозеф Пристли нашел каучуку первое применение, весьма важное для всех рисующих и пишущих: шарики и кубики из каучука прекрасно стирали надписи, сделанные карандашом.

В 1811 г. в Вене, а в 1823 г. в Глазго открылись первые фабрики по производству резиновых изделий. Инженер Ч.Макинтош научился растворять каучук в маслах, полученных из каменного угля. Раствором пропитывали дождевые плащи, почтовые сумки и навесы для карет. Но каучуковые покрытия в жару становились липкими, а на морозе – жесткими и ломкими.

Одержимый американский изобретатель-самоучка Чарльз Гудийр в 1839 г. нашел способ сохранить эластичность каучука, сделав при этом его прочным, достаточно твердым, не липким, стойким к воздействию температурных перепадов. Небольшой нагрев каучука с предварительно введенной в него серой приводил к этим благоприятным изменениям. Процесс превращения в резину получил название вулканизации . Он назван так в честь Вулкана, древнеримского бога огня.

Резина нашла широкое применение не только в быту, но и в технике. На рубеже XIX и XX вв. из нее уже делали шины для изобретенных автомобилей.

Химики трудились над расшифровкой состава и структуры каучука. Французский ученый Густав Бушарда установил, что природный каучук представляет собой полимер, длинная цепочка которого состоит из множества небольших молекул сравнительно простого органического соединения – изопрена, непредельного углеводорода, полученного Бушардом в ходе сложной перегонки скипидара без доступа воздуха.

4-й ученик. Один из учеников А.М. Бутлерова, молодой химик И.Л. Кондаков, синтезировал в лаборатории близкое к изопрену соединение – диметилбутадиен, обнаружил его склонность к полимеризации и создал искусственное каучуковое вещество. Другой ученик Бутлерова, академик А.Е. Фаворский, синтезировал изопрен и хлоропрен из простого сырья – газа ацетилена.

Советские ученые добились большого успеха. В 1928 г. группа ленинградских химиков под руководством профессора и будущего академика С.В. Лебедева победила в международном конкурсе на лучший способ производства искусственного каучука, объявленном Советским правительством. В 1932 г. в СССР впервые в мире на заводе в г.Ярославле организовано производство каучука из бутадиена, иначе называемого дивинилом, по способу С.В.Лебедева. Бутадиен получали из технического спирта, а затем осуществляли полимеризацию его в присутствии катализатора – металлического натрия. Советский ученый Б.В. Бызов сумел значительно удешевить процесс создания бутадиена, используя для его синтеза газ бутан из природных газообразных продуктов, выделяемых при переработке нефти.

К концу 1930-х гг. на заводах Германии, а в начале 1940-х гг. и в США тоже начался выпуск синтетического каучука.

5-й ученик. М ировое производство каучука в начале 1980-х гг. значительно превысило 10 млн т в год. Более 60 % этого огромного количества получали в ходе промышленного синтеза каучука, остальное – на больших плантациях гевеи в тропических странах.

Увлекательна и поучительна история открытия и применения каучука. Нет сомнения, что каучуковые мячи – одна из самых важных находок, сделанных европейскими путешественниками в южноамериканских странах. При этом мы отчетливо сознаем, что без вмешательства человека каучук не превратился бы в столь необходимый нам материал. Что же произошло с каучуком во время облагораживания его свойств способом вулканизации?

Невидимое инфракрасное излучение, пучки электронов и рентгеновских лучей помогли ученым заглянуть в глубь этого полимера. Большие молекулы натурального каучука скручены в спирали, клубки, но построены они линейно, между ними, как правило, нет перемычек. Именно эта особенность позволяет кусочкам каучука до вулканизации увеличивать свою длину при растяжении почти в 1000 раз!

Под действием серы и некоторых других вулканизаторов, таких, как нитросоединения или пероксид бензоила, при нагревании происходит «сшивка» больших молекул. Между длинными цепочками образуются поперечные химические мостики-связи. Получается резина, имеющая трехмерную сетчатую пространственную структуру, более прочную и твердую, чем у каучука до вулканизации.

Если в каучук добавлено немного серы, всего 10–15 % от массы исходного вещества, то каучук приобретает прочность, но сохраняет эластичность. Когда количество введенной в каучук серы достигает 25–40 %, образуется твердое роговидное вещество, называемое эбонитом . Вместо живой подвижной резины возникает твердый материал, стойкий к растворителям, хороший электроизолятор, из которого изготавливают многочисленные детали для радиотехники и электроники.

Убедительное доказательство того, что столь очевидные изменения физических свойств веществ происходят благодаря появлению в каучуке поперечных химических связей между длинными молекулами, было получено академиком Н.Д. Зелинским. Группа научных сотрудников под руководством выдающегося советского ученого создала синтетический каучук из хлоропрена, непредельного углеводорода, близкого по составу к изопрену. Хлоропреновый каучук не горит, прочен, эластичен, не поддается разрушению даже таким активным окислителем, как озон, и для превращения в резину путем вулканизации не нуждается в сере! Достаточно небольшого нагревания, и поперечные связи в этом каучуке возникают за счет внутренней перегруппировки его атомов.

Учитель.Из 120 наименований продукции ОАО «Нижнекамскнефтехим» более половины приходится на производство мономеров или полимеров. Назовем некоторые.

Синтетический каучук изопреновый СКИ-3. Используют для изготовления автомобильных шин, резинотехнических изделий, резиновой обуви, спортинвентаря и т.д.

Модифицированный синтетический каучук изопреновый СКИ-3С, СКИ-3Ш.

Бутиловый каучук. Получают сополимеризацией изопрена и изобутилена и применяют для изготовления автокамер, диафрагм форматоров-вулканизаторов.

Отходы синтетических каучуков используют в производстве резинотехнических изделий (ремни конвейерные, шланги, для производства дорожных покрытий).

Получают различные полиэфиры на основе оксида этилена и пропилена с глицерином, применяемые для производства пенополиуретанов.

Подводя итог, нужно сказать, что полимеры прочно вошли в нашу жизнь. Мне остается пожелать, чтобы вам помог случай в открытии новых полимеров. «Случай помогает только подготовленному уму». По этому поводу хочется рассказать об истории открытия на основе натурального нового полимерного материала.

В один из дней 1845 г. профессор химии Х.Ф. Шейнбейн, уже открывший к тому времени необычный газ озон, работал в своей лаборатории в Швейцарии. Нечаянно пролив на пол смесь концентрированных кислот HNO 3 и H 2 SO 4 , он машинально вытер пол хлопчатобумажным фартуком своей жены. «Кислоты могут прожечь фартук», – подумал Шейнбейн, прополоскал его в воде и повесил сушиться над печкой. К приходу жены ничего не должно было напоминать об участии фартука в его опытах. Фартук подсох, но затем раздался не очень громкий взрыв… и фартука не стало.

Позже Шейнбейн понял причину бурных событий, которые произошли в лаборатории. Гидроксильные группы целлюлозной основы фартука под влиянием H 2 SO 4 уступили место нитрогруппам NO 2 . Серная кислота явилась прекрасным катализатором. Хлопчатобумажная ткань превратилась в нитроцеллюлозу (пироксилин) – взрывчатое вещество, выделяющее меньше дыма, чем черный порох. Так случай помог открытию нового вещества.

Желаю всем творческих успехов, упорства и трудолюбия.

Учитель подводит итог урока.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Полимеры

Историческая справка.

Термин “полимерия” был введен в науку И.Берцелиусом в 1833 для обозначения особого вида изомерии, при которой вещества (полимеры), имеющие одинаковый состав, обладают различной молекулярной массой, например этилен и бутилен, кислород и озон. Такое содержание термина не соответствовало современным представлениям о полимерах. “Истинные” синтетические полимеры к тому времени еще не были известны.

Ряд полимеров был, по-видимому, получен еще в первой половине 19 века. Однако химики тогда обычно пытались подавить полимеризацию и поликонденсацию, которые вели к “осмолению” продуктов основной химической реакции, т.е., собственно, к образованию полимеров (до сих пор полимеры часто называют “смолами”). Первые упоминания о синтетических полимерах относятся к 1838 (поливинилиденхлорид) и 1839 (полистирол),

Химия полимеров возникла только в связи с созданием А.М.Бутлеровым теории химического строения. А.М.Бутлеров изучал связь между строением и относительной устойчивостью молекул, проявляющейся в реакциях полимеризации. Дальнейшее свое развитие наука о полимерах получила главным образом благодаря интенсивным поискам способов синтеза каучука, в которых участвовали крупнейшие учёные многих стран (Г.Бушарда, У.Тилден, немецкий учёный К Гарриес, И.Л.Кондаков, С.В.Лебедев и другие). В 30-х годов было доказано существование свободнорадикального и ионного механизмов полимеризации. Большую роль в развитии представлений о поликонденсации сыграли работы У.Карозерса.

С начала 20-х годов 20 века развиваются также теоретические представления о строении полимеров Вначале предполагалось, что такие биополимеры, как целлюлоза, крахмал, каучук, белки, а также некоторые синтетические полимеры, сходные с ними по свойствам (например, полиизопрен), состоят из малых молекул, обладающих необычной способностью ассоциировать в растворе в комплексы коллоидной природы благодаря нековалентным связям (теория “малых блоков”). Автором принципиально нового представления о полимерах как о веществах, состоящих из макромолекул, частиц необычайно большой молекулярной массы, был Г.Штаудингер. Победа идей этого учёного заставила рассматривать полимеры как качественно новый объект исследования химии и физики.

Полимеры - химические соединения с высокой мол. массой (от нескольких тысяч до многих миллионов), молекулы которых (макромолекулы) состоят из большого числа повторяющихся группировок (мономерных звеньев). Атомы, входящие в состав макромолекул, соединены друг с другом силами главных и (или) координационных валентностей.

2. Классификация

По происхождению полимеры делятся на природные (биополимеры), например белки, нуклеиновые кислоты, смолы природные, и синтетические, например полиэтилен, полипропилен, феноло-формальдегидные смолы. Атомы или атомные группы могут располагаться в макромолекуле в виде: открытой цепи или вытянутой в линию последовательности циклов (линейные полимеры, например каучук натуральный); цепи с разветвлением (разветвленные полимеры, например амилопектин), трехмерной сетки (сшитые полимеры, например отверждённые эпоксидные смолы). Полимеры, молекулы которых состоят из одинаковых мономерных звеньев, называются гомополимерами (например поливинилхлорид, поликапроамид, целлюлоза).

Макромолекулы одного и того же химического состава могут быть построены из звеньев различной пространственной конфигурации. Если макромолекулы состоят из одинаковых стереоизомеров или из различных стереоизомеров, чередующихся в цепи в определенной периодичности, полимеры называются стереорегулярными.

Полимеры, макромолекулы которых содержат несколько типов мономерных звеньев, называются сополимерами. Сополимеры, в которых звенья каждого типа образуют достаточно длинные непрерывные последовательности, сменяющие друг друга в пределах макромолекулы, называются блоксополимерами. К внутренним (неконцевым) звеньям макромолекулы одного химического строения могут быть присоединены одна или несколько цепей другого строения. Такие сополимеры называются привитыми.

Полимеры, в которых каждый или некоторые стереоизомеры звена образуют достаточно длинные непрерывные последовательности, сменяющие друг друга в пределах одной макромолекулы, называются стереоблоксополимерами.

В зависимости от состава основной (главной) цепи полимеры, делят на: гетероцепные, в основной цепи которых содержатся атомы различных элементов, чаще всего углерода, азота, кремния, фосфора, и гомоцепные, основные цепи которых построены из одинаковых атомов. Из гомоцепных полимеров наиболее распространены карбоцепные полимеры, главные цепи которых состоят только из атомов углерода, например полиэтилен, полиметилметакрилат, политетрафторзтилен. Примеры гетероцепных полимеров - полиэфиры (полиэтилентерефталат, поликарбонаты), полиамиды, мочевино-формальдегидные смолы, белки, некоторые кремнийорганические полимеры. Полимеры, макромолекулы которых наряду с углеводородными группами содержат атомы неорганогенных элементов, называются элементоорганическими. Отдельную группу полимеров образуют неорганические полимеры, например пластическая сера, полифосфонитрилхлорид.

3. Свойства и важнейшие характеристики

Линейные полимеры обладают специфическим комплексом физико-химических и механических свойств. Важнейшие из этих свойств: способность образовывать высокопрочные анизотропные высокоориентированные волокна и пленки, способность к большим, длительно развивающимся обратимым деформациям; способность в высокоэластичном состоянии набухать перед растворением; высокая вязкость растворов. Этот комплекс свойств обусловлен высокой молекулярной массой, цепным строением, а также гибкостью макромолекул. При переходе от линейных цепей к разветвленным, редким трехмерным сеткам и, наконец, к густым сетчатым структурам этот комплекс свойств становится всё менее выраженным. Сильно сшитые полимеры нерастворимы, неплавки и неспособны к высокоэластичным деформациям.

Полимеры могут существовать в кристаллическом и аморфном состояниях. Необходимое условие кристаллизации - регулярность достаточно длинных участков макромолекулы. В кристаллических полимерах возможно возникновение разнообразных надмолекулярных структур (фибрилл, сферолитов, монокристаллов, тип которых во многом определяет свойства полимерного материала. Надмолекулярные структуры в незакристаллизованных (аморфных) полимерах менее выражены, чем в кристаллических.

Незакристаллизованные полимеры могут находиться в трех физических состояниях: стеклообразном, высокоэластичном и вязкотекучем. Полимеры с низкой (ниже комнатной) температурой перехода из стеклообразного в высокоэластичное состояние называются эластомерами, с высокой - пластиками. В зависимости от химического состава, строения и взаимного расположения макромолекул свойства полимеры могут меняться в очень широких пределах. Так, 1,4.-цисполибутадиен, построенный из гибких углеводородных цепей, при температуре около 20 °С - эластичный материал, который при температуре -60 °С переходит в стеклообразное состояние; полиметилметакрилат, построенный из более жестких цепей, при температуре около 20 °С - твердый стеклообразный продукт, переходящий в высокоэластичное состояние лишь при 100 °С. Целлюлоза - полимер с очень жесткими цепями, соединенными межмолекулярными водородными связями, вообще не может существовать в высокоэластичном состоянии до температуры ее разложения. Большие различия в свойствах полимеров могут наблюдаться даже в том случае, если различия в строении макромолекул на первый взгляд и невелики. Так, стереорегулярный полистирол - кристаллическое вещество с температурой плавления около 235 °С, а нестереорегулярный вообще не способен кристаллизоваться и размягчается при температуре около 80 °С.

Полимеры могут вступать в следующие основные типы реакций: образование химических связей между макромолекулами (так называемое сшивание), например при вулканизации каучуков, дублении кожи; распад макромолекул на отдельные, более короткие фрагменты, реакции боковых функциональных групп полимеров с низкомолекулярными веществами, не затрагивающие основную цепь (так называемые полимераналогичные превращения); внутримолекулярные реакции, протекающие между функциональными группами одной макромолекулы, например внутримолекулярная циклизация. Сшивание часто протекает одновременно с деструкцией. Примером полимераналогичных превращений может служить омыление поливтилацетата, приводящее к образованию поливинилового спирта. Скорость реакций полимеров с низкомолекулярными веществами часто лимитируется скоростью диффузии последних в фазу полимера. Наиболее явно это проявляется в случае сшитых полимеров. Скорость взаимодействия макромолекул с низкомолекулярными веществами часто существенно зависит от природы и расположения соседних звеньев относительно реагирующего звена. Это же относится и к внутримолекулярным реакциям между функциональными группами, принадлежащими одной цепи.

Некоторые свойства полимеров, например растворимость, способность к вязкому течению, стабильность, очень чувствительны к действию небольших количеств примесей или добавок, реагирующих с макромолекулами. Так, чтобы превратить линейный полимер из растворимого в полностью нерастворимый, достаточно образовать на одну макромолекулу 1-2 поперечные связи.

Важнейшие характеристики полимеров - химический состав, молекулярная масса и молекулярно-массовое распределение, степень разветвленности и гибкости макромолекул, стереорегулярность и другие. Свойства полимеров существенно зависят от этих характеристик.

4. Получение

Природные полимеры образуются в процессе биосинтеза в клетках живых организмов. С помощью экстракции, фракционного осаждения и других методов они могут быть выделены из растительного и животного сырья. Синтетические полимеры получают полимеризацией и поликонденсацией. Карбоцепные полимеры обычно синтезируют полимеризацией мономеров с одной или несколькими кратными углеродными связями или мономеров, содержащих неустойчивые карбоциклические группировки (например, из циклопропана и его производных), Гетероцепные полимеры получают поликонденсацией, а также полимеризацией мономеров, содержащих кратные связи углеродоэлемента (например, С=О, С=N, N=С=О) или непрочные гетероциклические группировки.

5. Полимеры в сельском хозяйстве

Сегодня можно говорить по меньшей мере о четырех основных направлениях использования полимерных материалов в сельском хозяйстве. И в отечественной и в мировой практике первое место принадлежит пленкам. Благодаря применению мульчирующей перфорированной пленки на полях урожайность некоторых культур повышается до 30%, а сроки созревания ускоряются на 10-14 дней. Использование полиэтиленовой пленки для гидроизоляции создаваемых водохранилищ обеспечивает существенное снижение потерь запасаемой влаги. Укрытие пленкой сенажа, силоса, грубых кормов обеспечивает их лучшую сохранность даже в неблагоприятных погодных условиях. Но главная область использования пленочных полимерных материалов в сельском хозяйстве - строительство и эксплуатация пленочных теплиц. В настоящее время стало технически возможным выпускать полотнища пленки шириной до 16 м, а это позволяет строить пленочные теплицы шириной в основании до 7,5 и длиной до 200 м. В таких теплицах можно все сельскохозяйственные работы проводить механизированно; более того, эти теплицы позволяют выращивать продукцию круглогодично. В холодное время теплицы обогреваются опять-таки с помощью полимерных труб, заложенных в почву на глубину 60-70 см.

С точки зрения химической структуры полимеров, используемых в тепличных хозяйствах такого рода, можно отметить преимущественное использование полиэтилена, непластифицированного поливинилхлорида и в меньшей мере полиамидов. Полиэтиленовые пленки отличаются лучшей светопроницаемостью, лучшими прочностными свойствами, но худшей погодоустойчивостью и сравнительно высокими теплопотерями. Они могут исправно служить лишь 1-2 сезона. Полиамидные и другие пленки пока применяются сравнительно редко.

Другая область широкого применения полимерных материалов в сельском хозяйстве - мелиорация. Тут и разнообразные формы труб и шлангов для полива, особенно для самого прогрессивного в настоящее время капельного орошения; тут и перфорированные пластмассовые трубы для дренажа. Интересно отметить, что срок службы пластмассовых труб в системах дренажа, напри мер, в республиках Прибалтики в 3-4 раза дольше, чем соответствующих керамических труб. Вдобавок использование пластмассовых труб, особенно из гофрированного поливинилхлорида, позволяет почти полностью исключить ручной труд при прокладке дренажных систем.

Два остальных главных направления использования полимерных материалов в сельском хозяйстве - строительство, особенно животноводческих помещений, и машиностроение.

Овцы в синтетических шубах

Овца, как известно, животное неразумное. Особенно - меринос. Знает ведь, что шерсть нужна хозяину чистой а все-таки то в пыли изваляется, то, продираясь по кус там, колючек на себя нацепляет. Мыть и чистить овечью шерсть после стрижки - процесс сложный и трудоемкий. Чтобы упростить его, чтобы защитить шерсть от загрязнений, австралийские овцеводы изобрели попону из полиэтиленовой ткани. Надевают ее на овцу сразу после стрижки, затягивают резиновыми застежками. Овца растет, и шерсть на ней растет, распирает попону, а резинки слабеют, попона все время как по мерке сшита. Но вот беда: под австралийским солнцем сам полиэтилен хрупким становится. И с этим справились с помощью аминных стабилизаторов. Осталось еще приучить овцу не рвать полиэтиленовую ткань о колючки и заборы.

Нумерованные животные

Начиная с 1975 года весь крупный рогатый скот, а также овцы и козы в государственных хозяйствах Чехословакии должны носить в ушах своеобразные сережки - пластмассовые таблички с указанием основных данных о животных. Эта новая форма регистрации животных должна заменить применявшееся ранее клеймение, что признано специалистами негигиеничным. Миллионы пластмассовых табличек должны выпускать артели местной промышленности.

Микроб - кормилец

Комплексную задачу очистки сточных вод целлюлозно-бумажного производства и одновременного производства кормов для животноводства решили финские ученые. Специальную культуру микробов выращивают на отработанных сульфитных щелоках в специальных ферментаторах при 38° С, одновременно добавляя туда аммиак. Выход кормового белка составляет 50-55%; его с аппетитом поедают свиньи и домашняя птица.

Синтетическая травка

Традиционно принято многие спортивные мероприятия проводить на площадках с травяным покрытием. Футбол, теннис, крокет... К сожалению, динамичное развитие спорта, пиковые нагрузки у ворот или у сетки приводят к тому, что трава не успевает подрасти от одного состязания до другого. И никакие ухищрения садовников не могут с этим справиться. Можно, конечно, проводить аналогичные состязания на площадках, скажем, с асфальтовым покрытием, но как же быть с традиционными видами спорта? На помощь пришли синтетические материалы. Полиамидную пленку толщиной 1/40 мм (25 мкм) нарезают на полоски шириной 1,27 мм, вытягивают их, извивают, а затем переплетают так, чтобы получить легкую объемную маcсу, имитирующую траву. Во избежание пожара к полимеру загодя добавляют огнезащитные средства, а чтобы из-под ног у спортсменов не посыпались электрическое искры -антистатик. Коврики из синтетической травы наклеивают на подготовленное основание - и вот зам готов травяной корт или футбольное поле, или иная спортивная площадка. А по мере износа отдельные участки игрового поля можно заменять новыми ковриками, изготовленными по той же технологии и того же зеленого цвета.

6. Полимеры в машиностроении

Ничего удивительного в том, что эта отрасль - главный потребитель чуть ли не всех материалов, производимых в нашей стране, в том числе и полимеров. Использование полимерных материалов в машиностроении растет такими темпами, какие не знают прецедента во всей человеческой истории. К примеру, в 1976 1. машиностроение нашей страны потребило 800000 т пласт масс, а в 1960 г. - всего 116 000 т. При этом интересно отметить, что еще десять лет назад в машиностроение направлялось 37--38% всех выпускающихся в нашей стране пластмасс, а 1980 г. доля машиностроения в использовании пластмасс снизилась до 28%. И дело тут не в том, что могла бы снизится потребность, а в том, что другие отрасли народного хозяйства стали применять полимерные материалы в сельском хозяйстве, в строительстве, в легкой и пищевой промышленности еще более интенсивно.

При этом уместно отметить, что в последние годы несколько изменилась и функция полимерных материалов в любой отрасли. Полимерам стали доверять все более и более ответственные задачи. Из полимеров стали изготавливать все больше относительно мелких, но конструктивно сложных и ответственных деталей машин и механизмов, и в то же время все чаще полимеры стали применяться в изготовлении крупногабаритных корпусных деталей машин и механизмов, несущих значительные нагрузки. Ниже будет подробнее рассказано о применении полимеров в автомобильной и авиационной промышленности, здесь же упомянем лишь один примечательный факт: несколько лет назад по Москве ходил цельнопластмассовый трамвай. А вот другой факт: четверть всех мелких судов - катеров, шлюпок, лодок - теперь строится из пластических масс.

До недавних пор широкому использованию полимерных материалов в машиностроении препятствовали два, казалось бы, общепризнанных недостатка полимеров: их низкая (по сравнению с марочными сталями) прочность и низкая теплостойкость. Рубеж прочностных свойств полимерных материалов удалось преодолеть переходом к композиционным материалам, главным образом стекло и углепластикам. Так что теперь выражение “пластмасса прочнее стали” звучит вполне обоснованно. В то же время полимеры сохранили свои позиции при массовом изготовлении огромного числа тех деталей, от которых не требуется особенно высокая прочность: заглушек, штуцеров, колпачков, рукояток, шкал и корпусов измерительных приборов. Еще одна область, специфическая именно для полимеров, где четче всего проявляются их преимущества перед любыми иными материалами, - это область внутренней и внешней отделки.

То же самое можно сказать и о машиностроении. Почти три четверти внутренней отделки салонов легковых автомобилей, автобусов, самолетов, речных и морских судов и пассажирских вагонов выполняется ныне из декоративных пластиков, синтетических пленок, тканей, искусственной кожи. Более того, для многих машин и аппаратов только использование антикоррозионной отделки синтетическими материалами обеспечило их надежную, долговременную эксплуатацию. К примеру, многократное использование изделия в экстремальных физико-технических условиях (космосе) обеспечивается, в частности, тем, что вся его внешняя поверхность покрыта синтетическими плитками, к тому же приклеенными синтетическим полиуретановым или полиэпоксидным клеем. А аппараты для химического производства? У них внутри бывают такие агрессивные среды, что никакая марочная сталь не выдержала бы. Единственный выход - сделать внутреннюю облицовку из платины или из пленки фторопласта. Гальванические ванны могут работать только при условии, что они сами и конструкции подвески покрыты синтетическими смолами и пластиками.

Широко применяются полимерные материалы и в такой отрасли народного хозяйства, как приборостроение. Здесь получен самый высокий экономический эффект в среднем в 1,5-2,0 раза выше, чем в других отраслях машиностроения. Объясняется это, в частности тем что большая часть полимеров перерабатывается в приборостроении самыми прогрессивными способами что повышает уровень полезного использования (и безотходность отходность) термопластов, увеличивает коэффициент замены дорогостоящих материалов. Наряду с этим значительно снижаются затраты живого труда. Простейшим и весьма убедительным примером может служить изготовление печатных схем: процесс, не мыслимый без полимерных материалов, а с ними и полностью автоматизированный.

Есть и другие подотрасли, где использование полимерных материалов обеспечивает и экономию материальных и энергетических ресурсов, и рост производительности труда. Почти полную автоматизацию обеспечило применение полимеров в производстве тормозных систем для транспорта. Неспроста практически все функциональные детали тормозных систем для автомобилей и около 45% для железнодорожного подвижного состава делаются из синтетических пресс-материалов. Около 50% деталей вращения и зубчатых колес изготовляется из прочных конструкционных полимеров. В последнем случае можно отметить две различных тенденции. С одной стороны, все чаще появляются сообщения об изготовлении зубчатых колес для тракторов из капрона. Обрывки отслуживших свое рыболовных сетей, старые чулки и путанку капроновых волокон переплавляют и формуют в шестерни. Эти шестерни могут работать почти без износа в контакте со стальными, вдобавок такая система не нуждается в смазке и почти бесшумна. Другая тенденция - полная замена металлических деталей в редукторах на детали из углепластиков. У них тоже отмечается резкое снижение механических потерь, долговременность срока службы.

Еще одна область применения полимерных материалов в машиностроении, достойная отдельного упоминания, - изготовление металлорежущего инструмента. По мере расширения использования прочных сталей н сплавов все более жесткие требования предъявляются к обрабатывающему инструменту. И здесь тоже на выручку инструментальщику и станочнику приходят пластмассы. Но не совсем обычные пластмассы сверхвысокой твердости, такие, которые смеют поспорить даже с алмазом. Король твердости, алмаз, еще не свергнут со своего трона, но дело идет к тому. Некоторые окислы (например из рода фианитов), нитриды, карбиды, уже сегодня демонстрируют не меньшую твердость, да к тому же и большую термостойкость. Вся беда в том, что они пока еще более дороги, чем природные и синтетические алмазы, да к тому же им свойствен “королевский порок” - они в большинстве своем хрупки. Вот и приходится, чтобы удержать их от растрескивания, каждое зернышко такого абразива окружать полимерной упаковкой чаще всего из фенолформальдегидных смол. Поэтому сегодня три четверти абразивного инструмента выпускается с применением синтетических смол.

Таковы лишь некоторые примеры н основные тенденции внедрения полимерных материалов в подотрасли машиностроения. Самое же первое место по темпам роста применения пластических масс среди других подотраслей занимает сейчас автомобильная промышленность. Десять лет назад в автомашинах использовали от 7 до 12 видов различных пластиков, к концу 70-х годов это число перешагнуло за 30. С точки зрения химической структуры, как и следовало ожидать, первые места по объему занимают стирольные пластики, поливинилхлорид и полиолефины. Пока еще немного уступают им, но активно догоняют полиуретаны, полиэфиры, акрилаты и другие полимеры. Перечень деталей автомобиля, которые в тех или иных моделях в наши дни из готовляют из полимеров, занял бы не одну страницу. Кузова и кабины, инструменты и электроизоляция, отделка салона и бамперы, радиаторы и подлокотники, шланги, сиденья, дверцы, капот. Более того, несколько разных фирм за рубежом уже объявили о начале производства цельнопластмассовых автомобилей. Наиболее характерные тенденции в применении пластмасс для автомобилестроения, в общем, те же, что и в других подотраслях. Во-первых, это экономия материалов: безотходное или малоотходное формование больших блоков и узлов. Во-вторых, благодаря использованию легких и облегченных полимерных материалов снижается общий вес автомобиля, а значит, будет экономиться горючее при его эксплуатации. В-третьих, выполненные как единое целое, блоки пластмассовых деталей существенно упрощают сборку и позволяют экономить живой труд.

Кстати, те же преимущества стимулируют и широкое применение полимерных материалов в авиационной промышленности. Например, замена алюминиевого сплава графитопластиком при изготовлении предкрылка крыла самолета позволяет сократить количество деталей с 47 до 14, крепежа - с 1464 до 8 болтов, снизить вес на 22%, стоимость - на 25%. При этом запас прочности изделия составляет 178%. Лопасти вертолета, лопатки вентиляторов реактивных двигателей рекомендуют изготовлять из поликонденсационных смол, наполненных алюмосиликатными волокнами, что позволяет снизить вес самолета при сохранении прочности и надежности. По английскому патенту № 2047188 покрытие несущих поверхностей самолетов или лопастей роторов вертолетов слоем полиуретана толщиной всего 0,65 мм в 1,5-2 раза повышает их стойкость к дождевой эрозии. Жесткие требования были поставлены перед конструкторами первого англо-французского сверхзвукового пассажирского самолета “Конкорд”. Было рассчитано, что от трения об атмосферу внешняя поверхность самолета будет разогреваться до 120-150° С, и в то же время требовалось, чтобы она не поддавалась эрозии в течение по меньшей мере 20000 часов. Решение проблемы было найдено с помощью поверхностного покрытия защиты самолета тончайшей пленкой фторопласта.

Пластмассовые ракеты

Оболочку двигателя ракет изготавливают из углепластика, наматывая на трубу ленту из углеволокна, предварительно пропитанную эпоксидными смолами. После отверждения смолы и удаления вспомогательного сердечника получают трубу с содержанием углеволокна более двух третей, достаточно прочную на растяжение и изгиб, стойкую к вибрациям и пульсации. Остается начинить заготовку ракетным топливом, приладить к ней отсек для приборов и фотокамер, и можно отправлять ее в полет.

Пластмассовый шлюз

На одном из каналов в районе Быгдощи установлен первый в Польше (а вероятно, и первый в мире) цельнопластмассовый шлюз. Работает шлюз безукоризненно. Пластмассовые элементы рассчитаны на более чем 20-летний срок эксплуатационной службы. Конструкции же из дубовых балок приходилось менять каждые 6 лет.

Сварка без нагрева

Как прикрепить друг к другу две пластмассовые панели? Можно приклеить, но тогда необходимо оборудовать рабочее место системой вентиляции. Можно привинтить или приклепать, но тогда надо загодя сверлить отверстия. Можно приварить, если обе панели термопластичны, но и тут без вентиляции не обойтись, да к тому же из-за локальных перегревов соединение может оказаться продеструктировавшим и непрочным. Самый лучший способ и оборудование для него разработала французская фирма “Брансон”. Генератор ультразвука мощностью 3 кВт, частотой 20 кГц, “звуководы” - сонотроды - и все. Наконечник сонотрода, вибрируя, проникает сквозь верхнюю из скрепляемых деталей толщиной до 8 мм. погружаются в нижнюю и увлекает за собой расплав верхнего полимера. Энергия ультразвуковых колебаний превращается в тепло лишь локально, получается точечная сварка. полимер химический молекулярный

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

История развития науки о полимерах - высокомолекулярных соединений, веществ с большой молекулярной массой. Классификация и свойства органических пластических материалов. Примеры использования полимеров в медицине, сельском хозяйстве, машиностроении, быту.

презентация , добавлен 09.12.2013


Особенности строения и свойств. Классификация полимеров. Свойства полимеров. Изготовление полимеров. Использование полимеров. Пленка. Мелиорация. Строительство. Коврики из синтетической травы. Машиностроение. Промышленность.

реферат , добавлен 11.08.2002


Общая характеристика современных направлений развития композитов на основе полимеров. Сущность и значение армирования полимеров. Особенности получения и свойства полимерных композиционных материалов. Анализ физико-химических аспектов упрочнения полимеров.

реферат , добавлен 27.05.2010


Характеристика биодеградируемых (биоразлагаемых) полимеров - материалов, которые разрушаются в результате естественных природных (микробиологических и биохимических) процессов. Свойства, способы получения и сферы использования биодеградируемых полимеров.

реферат , добавлен 12.05.2011


Особенности химических реакций в полимерах. Деструкция полимеров под действием тепла и химических сред. Химические реакции при действии света и ионизирующих излучений. Формирование сетчатых структур в полимерах. Реакции полимеров с кислородом и озоном.

контрольная работа , добавлен 08.03.2015


Пластмассы и эластомеры, подобие и различия. Сравнительная характеристика стеклообразного и высокоэластичного состояния полимеров. Химия полимеризации и поликонденсации. Технологии получения заданных свойств полимеров, предупреждение старения.

лекция , добавлен 09.10.2009


Что такое полимеры и особенности развития науки о полимерах. Описание различий в свойствах высоко- и низкомолекулярных соединений. История развития производства полимеров. Технологический процесс образования, получения и распространения полимеров.

реферат , добавлен 12.06.2011


Формование полимерных материалов с заданной структурой на основе смесей несовместимых полимеров. Условия волокнообразования в смесях несовместимых полимеров при изменении вязкостей и дисперсности смеси. Реологические свойства исследованных полимеров.

статья , добавлен 03.03.2010


Физические и фазовые состояния и переходы. Термодинамика высокоэластической деформации. Релаксационные и механические свойства кристаллических полимеров. Теории их разрушения и долговечность. Стеклование, реология расплавов и растворов полимеров.

контрольная работа , добавлен 08.03.2015


Формула и описание полиацителена, его место в классификации полимеров. Строение, физические и химические свойства полиацителена. Способ получения полиацетилена полимеризацией ацетилена или полимерана логичными превращениями из насыщенных полимеров.

1.1 История развития полимерных материалов

Получением искусственных полимеров люди занимаются с незапамятных времен. Например, варка столярного клея из рогов и копыт или казеинового из испорченного молока или сои были известны еще в Древнем Египте. Однако, химическая модификация природных полимеров проводилась неосознанно. Что именно происходит с полимерной структурой стало понятно лишь в конце 19-начале 20 века, после того, как Бутлеров создал теорию химического строения органических веществ. С тех пор модификация стала проводиться осознанно и целенаправленно.

Историю пластмасс принято отсчитывать от нитроцеллюлозы - в смеси с камфарой она дает пластмассу целлулоид. Его открыл англичанин Паркес, запатентовал его в 1856г, а в 1956 получил за него бронзовую медаль на Большой международной выставке. Вообще, большему числу модификаций подверглась именно целлюлоза: ее и нитровали, получая бездымный порох, и ацетилировали, и метилировали. Целлулоид считается матерью кинематографии - без этой пленки невозможно было бы создать синематограф. Однако, пожароопасность этой пластмассы привела к тому, что ее производство к началу 20 века практически упало до «0».

В конце 20 годов быстрое развитие электротехники, телефона и радио потребовало создания новых материалов с хорошими конструкционными и электроизоляционными свойствами: по первым буквам этих областей (электричество, телефон, радио) были названы новые материалы - этролы. Из них изготавливали корпуса приборов, чертежные инструменты (и по сей день). Полимером для этролов был триацетат целлюлозы. (Из него и сейчас производят негорючие пленки, заменившие целлулоидную) (Триацетат получают путем обработки целлюлозы уксусным ангидридом и уксусной кислотой)

В1887г был получен галалит-первая пластмасса на основе белка (казеина). Промышленное производство было освоено в 1929 английской фирмой ЭРИНОИД (И в настоящее время эта фирма производит листовые и формованные изделия из галалита). В настоящее время этот материал практически забыт, однако в связи с повышением цен на нефть и получаемые из нее мономеры, интерес к нему возрожден.

Во второй половине 19 века был открыт процесс вулканизации природного каучука путем нагревания с серой - получение резины.

В общем объеме мирового производства полимерных материалов целлюлозные пластики занимают всего 2-3%, но эти проценты удерживаются прочно, что связано с практически неисчерпаемой сырьевой базой (можно получать из отходов хлопкоперерабатывающей, лесоперерабатывающей промышленности, любое растительное сырье (листья банана, конопля))

Однако, природные и искусственные полимеры постепенно вытеснили полимеры синтетические.

В 1831г профессор Лебедев осуществил полимеризацию бутадиенового каучука.

В 1835г химиком Реньо был получен ПВХ, а в 1939 Симоном - полистирол. Однако, изучение данных веществ, полученных в ходе исследований ученых как побочный продукт реакции, не было. Такая же ситуация сложилась и с ФФС: в 1872г немецкий химик Байер изучал действие формальдегида на фенолы и заметил, что в реакционной смеси образуются смолянистые остатки, но изучать их не стал. Лишь на рубеже 19-20 веков, когда возникла техническая потребность в конструкционном и электроизоляционном материале появились пластмассы БАКЕЛИТ и КАРБОЛИТ, основой которых служат ФФС. Эти полимеры были заново изобретены в Бельгии в 1907г Бакелидом и у нас Петровым.

В 20-30 годах 20 века получили промышленное применение мочевино-формальдегидные, полиэфирные полимеры. Начиная с 30-х годов начали широко применяться методы полимеризации и были получены полистирол, поливинилацетат, поливинилхлорид и др. позднее появились новые виды поликонденсационных пластиков: полиамидные, полиуретановые и др.

Первая русская пластмасса была получена на основе ФФС в деревне Дубровка близ Орехово-Зуево.

Несмотря на молодость, пластмассы прочно заняли свое место в ряду строительных материалов. Это объясняется наличием у пластмасс целого комплекса ценных свойств: стойкостью к различным агрессивным воздействиям, низкой теплопроводностью, технологической легкостью обработки, возможностью склеиваться и свариваться и др.

Разработка стандарта организации ООО "Арсеньевский молочный комбинат" "Санитарная обработка оборудования для производства творога"

Согласно решению Арсеньевского Городского Совета Народных депутатов по наказу жителей города в Арсеньеве был построен гормолокозавод. Строительство продолжалось с ноября 1984 года по декабрь 1987...

Разработка холодильного агрегата

Еще за 400 лет до нашей эры персидские инженеры умели сохранять летом в раскаленной зноем пустыне лед, привезенный зимой с близлежащих гор. Стены подземного хранилища под названием "якшаль" имели толщину до двух метров и были сложены из блоков...

Расчет по комбикормам

Комбикормовой промышленности России около 75 лет. Первый в России комбикормовый цех производительностью 100 т/сут был построен в совхозе «Лесные поляны» недалеко от станции Болшево Московской области. В январе 1928 г...

Техническое обслуживание сетевого адаптера D-Link DGE-560T

Радиаторные системы В своей основе имеют радиатор, на котором может крепиться вентилятор (кулер). Наиболее часто встречаемая в компьютерах связка -- радиатор+вентилятор. В настоящее время бывают либо алюминиевые...

Турбокомпрессоры в двигателях внутреннего сгорания

История развития турбокомпрессоров началась примерно в то же время, что и постройка первых образцов двигателей внутреннего сгорания. В 1885--1896 г...

Электронно-лучевая сварка деталей гироскопа

До изобретения гироскопа человечество использовало различные методы определения направления в пространстве. Издревле люди ориентировались визуально по удалённым предметам, в частности, по Солнцу...

Полимеры на Земле появились гораздо раньше, чем человек. Самыми распространенными полимерами считаются крупные молекулы белков, ДНК и РНК.

Что такое полимеры

Полимеры - химические соединения, которые имеют высокую молекулярную массу. Полимеры бывают природные и искусственные. Эти полимеры различаются своим происхождением. Природные полимеры создала сама природа. Примеры природных полимеров: хлопок, шелк, шерсть, кожа, мех, дерево. Но очень давно человек научился перерабатывать природные полимеры в искусственные полимерные материалы. Например, древние египтяне умели делать столярный клей из рогов и копыт животных. Во второй половине ХIX в. люди научились получать резину из природного каучука. В начале ХХ в. английская фирма ЭРИНОИД наладила промышленное производство первой пластмассы из белка (казеина). Кстати, в настоящее время из-за подорожания нефти возрос интерес к этой забытой пластмассе.

Синтетические полимеры

Примеров переработки природных полимеров в искусственные можно привести очень много.

Но со временем были созданы синтетические полимеры, которые заменили природные и искусственные. Толчком для создания синтетических полимеров послужило открытие русского химика Александра Михайловича Бутлерова.

Теория химического строения органических веществ

А.М. Бутлеров

В основе современной органической химии лежит теория химического строения органических веществ, автором которой является русский химик и ученый Александр Михайлович Бутлеров. В 1842 г. Бутлеров впервые провел реакцию полимеризации и изомеризации, доказав, что свойства веществ могут меняться в результате изменения строения молекулы, даже если состав и молекулярный вес не меняются.

После создания этой теории появилась химия высокомолекулярных полимерных соединений. В состав таких соединений входят молекулы с числом атомов до сотен тысяч. Началась целенаправленная модификация (изменение) химических веществ. Были созданы абсолютно новые синтетические полимеры. Свойства этих полимеров значительно превосходили свойства природных полимеров.

Применение синтетических полимеров

В 1906 г. в результате нагревания продукта конденсации фенола и формальдегида получили бакелитовую смолу. Так появились синтетические органические полимеры, впоследствии нашедшие применение как диэлектрики в печатных платах. С появлением синтетического каучука в 40-е годы ХХ в. начался стремительный рост автомобилестроения. Примерно в то же время был получен полиметилметакрилат, который называли также плексиглас, что дало толчок развитию самолетостроения. Были созданы искусственные ткани: капрон, нейлон и лавсан. Все эти синтетические волокна использовались в производстве тканей в сочетании с натуральными волокнами. Позже появились полиуретан и пористый материал поролон. В 70-е годы прошлого столетия были синтезированы ароматические полиамиды. В это же время в промышленности начали заменять металл полимерами. Оказалось, что некоторые полимеры прочнее металлов. Кроме этого, при производстве полимеров потребляется меньше электроэнергии, чем при производстве металлов. Изделия из полимеров служат гораздо дольше металлических. Они не ржавеют. К тому же они гораздо легче. Поэтому из полимеров начали делать детали автомобилей, трубы. Ткани из чистых натуральных волокон сейчас практически не производятся. А синтетическим тканям можно придать любое нужное свойство, например, теплопроводность или теплоизоляцию. В производстве обуви полиуретан практически заменил каучук. В современных компьютерных технологиях невозможно обойтись без полимерных изоляторов. Медицина широко использует синтетические лекарственные препараты. В травматологии не были бы возможны сложные операции по замене суставов, если бы не было современных синтетических полимеров. Не могут обходиться без них и стоматологи.

Но, несмотря на то, что синтетические полимеры обладают свойствами, которых не существует в природных полимерах, человек всегда будет использовать и природные материалы.