Полимеры в нашей жизни

XXV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Полимеры в нашей жизни

Машекуашева М.А. 1Дорогов Д.А. 1
1МКОУ СОШ №5
Татимова С.Х. 1
1МКОУ СОШ №5
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Полимеры (от греч. «поли» — много и «мерос» — часть) — это высокомолекулярные соединения, состоящие из множества повторяющихся звеньев (мономеров), соединённых химическими связями в длинные цепи. Благодаря своей структуре эти материалы обладают уникальными свойствами: пластичностью, прочностью, устойчивостью к воздействию внешней среды и возможностью модификации для различных целей.

Ключевой особенностью полимеров является их макромолекулярная структура, которая определяет физические и химические свойства материала. Молекулярная масса полимеров может достигать миллионов атомных единиц, что обеспечивает их высокую механическую прочность при относительно низкой плотности. Кроме того, многие полимеры обладают диэлектрическими свойствами, химической стойкостью и способностью к формованию, что делает их незаменимыми в промышленности и быту. Современные полимерные материалы находят применение практически во всех сферах человеческой деятельности: от упаковки и текстиля до медицины, строительства и высоких технологий. Их универсальность и адаптивность открывают широкие перспективы для создания новых материалов с заданными свойствами.

Актуальность:

Полимеры играют ключевую роль в современном мире, но их массовое использование также создаёт экологические проблемы. Пластиковые отходы загрязняют планету, поэтому важно изучать не только преимущества полимеров, но и способы их безопасной утилизации и замены на биоразлагаемые аналоги.

Цель :

Исследовать роль полимеров в жизни человека, рассмотреть их виды, свойства и применение, а также проанализировать влияние на окружающую среду. Задачи работы включают изучение классификации полимеров, их использования в разных сферах, а также оценку перспектив развития экологичных материалов.

Задачи:

1. Изучить структуру полимеров

2. Дать им классификацию

3. Ознакомиться со способами получения

4. Выявить сферы применения.

Глава 1

Теоретические основы полимеров

1.1. Что такое полимеры?

Понять природу и значимость полимеров можно, если углубиться в их химический и технологический контекст. С точки зрения фундаментальной науки, определение полимеров сводится к тому, что они представляют собой крупные молекулы, состоящие из множества повторяющихся звеньев – мономеров, связанных в одну длинную цепь. 

Подобная молекулярная структура обеспечивает им уникальные свойства: возможны такие комбинации гибкости, прочности и термоустойчивости, которые тяжело воспроизвести у обычных низкомолекулярных соединений. При этом важно понимать, какие вещества называют полимерами. Это обширная категория соединений, включающая природные материалы (например, целлюлоза, крахмал, белки) и полученные искусственным путем (пластики, синтетические волокна, композиты). 

Полимер — это что за материал с точки зрения утилитарных качеств? Сегодня мы встречаем его повсеместно – от упаковочных пленок до деталей в двигателях. Полимерные цепи способны образовывать структуры с различной степенью кристалличности, твердости, сопротивляемости разрывам и агрессивным средам, что позволяет подбирать специфический состав в зависимости от нужд отрасли.

Значительная часть современных исследований направлена на создание новых полимеров, обладающих улучшенными свойствами и меньшим негативным влиянием на экологию. В течение долгого времени ученые стремились достичь идеального баланса между доступностью сырья, простотой переработки и функциональностью конечных продуктов.

Параллельно с этим развивается и химическая наука, которая открывает все более сложные механизмы полимеризации, расширяя ассортимент полимерных материалов, применимых в промышленности и научных исследованиях.

1.2. Классификация полимеров

В зависимости от молекулярной массы (ММ), полимеры делятся на:

— мономеры (с небольшой ММ);
— олигомеры (с ММ менее 540);
— полимеры (высокомолекулярные, с ММ от пяти тысяч до пятисот тысяч);
— сверхвысокомолекулярные полимеры с ММ более полумиллиона.

По степени разветвленности молекул:

— линейные (молекула состоит из цепочки мономеров), к ним относится натуральный каучук, эластомеры и другие полимеры высокой эластичности;
— разветвленные (цепочка из звеньев имеет боковые ответвления), например, амилопектин;
— сетчатые или сшитые (между соседними макромолекулами существуют поперечные связи), нерастворимые и неэластичные полимеры, например, эпоксидные смолы в стадии отверждения.

По составу мономеров:

— гомополимеры, состоящие из одного вида звеньев, например, ПВХ, целлюлоза;
— сополимеры, состоящие из звеньев разного строения (многие полимеры с улучшенными свойствами).

В зависимости от того, как полимеры реагирует на нагревание, их разделяют на:

— термопласты, после охлаждения возвращающиеся в исходное состояние без потери физических свойств (этими качествами обладают линейные и разветвленные полимеры);
— реактопласты, после нагревания частично и необратимо разрушаются и не восстанавливают исходных свойств (сетчатые пространственные полимеры).

По структуре полимеры разделяют на:

— кристаллические, содержащие более 2/3 кристаллических структур (полиэтилен низкого давления, полипропилен, тефлон);
— аморфные, содержащие не более нескольких процентов кристаллических структур (акриловое стекло, полистирол и все сетчатые полимеры);
— аморфно-кристаллические, содержащие от 25 до 70% кристаллических структур (полиэтилен высокого давления).

По происхождению:

— природные (белки, коллоидная сера, натуральный каучук, целлюлоза, крахмал);
— синтетические (фенолформальдегидные смолы, полистирол).

По химическому составу:

— органические;
— неорганические, не содержащие органических звеньев ни в главной цепи, ни в ответвлениях макромолекулы (пластическая сера, кристаллы кварца);
— элементоорганические, макромолекулы которых состоят из углеводородных групп и неорганических звеньев (кремний-, боро-, фосфорорганические полимеры и др)

1.3. Основные свойства полимеров

Одна из основных особенностей полимеров состоит в том, что отдельные отрезки цепей (сегменты) могут перемещаться путем поворота вокруг связи и изменения угла. Эти виды внутреннего движения — смена конформаций, несвойственные другим твердым телам, придают полимерам сходство с жидкостями. В то же время большая длина искривленных и спиралеобразных молекул, их ветвление и взаимная сшивка затрудняют смещение, вследствие чего полимер приобретает свойства твердого тела.

Разнообразные механические свойства полимеров обеспечивают широкую сферу применения данных материалов. Подбирая подходящий по характеристикам материал, можно обеспечить желаемые свойства готового изделия: прочность, плотность, эластичность, устойчивость к интенсивной эксплуатации и т.п.

Ключевые механические свойства полимерных материалов:

  • Деформационные свойства. Показывают, как полимер может переносить действие внешних сил, и как изменяются его геометрические параметры.

  • Прочность и упругость. Характеризуют фактические показатели прочности материалов. Данные собираются экспериментальным путем, методом проведения стандартных исследований по утвержденной методологии.

  • Механизм разрушения. Для определения предельно допустимых показателей нагрузки проводятся разрушающие тесты, и определяются соответствующие значения, характеризующие изменения в материале вплоть до разрушения образца.

  • Ударная прочность. Характеризует устойчивость материала к импульсам, то есть к сообщению механической энергии методом удара.

  • Долговечность. При длительной монотонной нагрузке у многих полимеров наблюдается явление «усталости», в результате чего отдельно определяются усталостные прочности.


Следует отметить, что прочность и эластичность находятся на разных чашах весов: по мере увеличения прочности эластичность снижается, и материал может быть крайне твёрдым, но хрупким.

Ключевым фактором определяющим механические свойства полимерных материалов является молекулярная структура: чем выше степень кристалличности, тем выше характеристики образца.

Полимеры могут находиться в четырех физических состояниях, из которых одно кристаллическое и три аморфных (стеклообразное, высокоэластическое и вязкотекучее).

Кристаллическое фазовое состояние характеризуется трехмерным дальним порядком в расположении атомов в молекуле; аморфное фазовое состояние – наличием ближнего порядка и отсутствием дальнего.

Кристаллическое физическое состояние характеризуется упорядоченной структурой вещества; стеклообразное состояние – наименьшей среди аморфных состояний подвижностью, наибольшей вязкостью и упругой деформацией; высокоэластическое состояние – высоким конформационным набором макромолекул и большими значениями обратимой деформации при малых растяжениях, причем эта деформация носит релаксационный характер. Вязкотекучее состояние отличается наибольшей подвижностью сегментов, минимальной вязкостью и пластической деформацией.

Аморфное состояние. Нахождение аморфных полимеров в одном из трех физических состояний (стеклообразное, высокоэластическое или вязкотекучее) зависит от температуры.

При нагревании или охлаждении аморфные полимеры могут обратимо переходить из одного физического состояния в другое, причем такие переходы не являются фазовыми, так как во всех трех состояниях сохраняется аморфная структура. Границами раздела физических состояний служат две температурные точки:

  • температура стеклования Тс, являющаяся средним значением температурной области перехода из стеклообразного в высокоэластическое состояние;

  • температура текучести Тт как среднее значение области перехода из высокоэластического в вязкотекучее состояние.


Кристаллическое состояние характеризуется температурами кристаллизации (Ткр) и плавления (Тпл). Температура кристаллизации Ткр – температура образования устойчивых кристаллических зародышей (находится в области между температурой стеклования и температурой текучести: Тс < Ткр < Тт). Температура плавления Тпл – температура плавления кристаллической фазы.

Она может быть ниже или выше температуры текучести Тт. Если ниже – кристаллический полимер при плавлении переходит в высокоэластическое состояние; если выше – в вязкотекучее. Температура кристаллизации всегда ниже температуры плавления: Ткр < Тпл .

Некоторые полимеры, например целлюлоза, политетрафторэтилен и др., не переходят в вязкотекучее состояние, так как их гипотетическая температура текучести выше температуры разложения. При низких температурах и стеклообразные, и кристаллические полимеры способны разрушаться при малых деформациях.

Такой вид разрушения называется хрупким, а температура, соответствующая ему – температурой хрупкости. Температура хрупкости находится ниже температуры стеклования. Ниже температуры хрупкости полимеры эксплуатировать нельзя. Каждое физическое состояние характеризуется своим типом деформации.

Кроме того, определяющим фактором является структура композиции полимера: в нее могут входить различные присадки, а также изготавливаться сополимеры, за счет чего механические характеристики существенно модифицируются.

Наконец, полимерное волокно имеет собственные требования по механическим характеристикам. Поэтому подбор оптимальной марки полимера производится исходя из поставленной задачи и технологических требований.

Физические свойства полимеров

Коэффициент теплопроводности полимеров значительно ниже, чем других твердых тел,—около 0,2 ... 0,3 В/(м*К), поэтому они являются теплоизоляторами. Вследствие относительной подвижности связей и смены конформаций полимеры имеют высокий температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР - 10-4 ... 10-5 К-1 ).

Можно было бы поэтому полагать, что они плохо совместимы с ма­териалами, имеющими меньший ТКЛР,—металлами и полупроводниками. Однако высокая эластичность полимеров и сравнительно небольшой интервал рабочих температур позволяет широко применять их в виде пленок, нанесенных на поверхность любых материалов.

Диапазон температур, при которых можно эксплуатировать полимеры без ухудшения их механических свойств, ограничен. Нагревостойкость большинства полимеров, к сожалению, очень низка — лишь 320...400 К и ограничивается началом размягчения (деформационная стойкость). Помимо потери прочности повышение температуры может вызвать и химические изменения в составе полимера, которые проявляются как потеря массы.

Способность полимеров сохранять свой состав при нагревании коли­чественно характеризуется относительной убылью массы при нагреве до рабочей температуры. Допустимым значением убыли массы считается 0,1 ... 1%. Полимеры, стойкие при 500 К, считаются нагревостойкими, а при 600...700 К — высоконагревостойкими. Их разработка, расширение выпуска и применения приносят большой народнохозяйственный эффект.

Химические свойства полимеров

Химическая стойкость полимеров определяется разными способами, но чаще всего по изменению массы при выдержке образца в соответствующей среде или реагенте. Этот критерий, однако, не является универсальным и не отражает природу химических изменений (деструкции).

Даже в стандартах (ГОСТ 12020—66) предусмотрены лишь качественные ее оценки по балльной системе. Так, полимеры, изменяющие за 42 суток массу на 3 ... 5%, считаются устойчивыми, на 5 ... 8% — относительно устойчивыми, более 8 ... 10% — нестойкими. Конечно, эти пределы зависят от вида изделия и его назначения.

Для полимеров характерна высокая стойкость по отношению к неорганическим реактивам и меньшая — к органическим.

В принципе все полимеры неустойчивы в средах, обладающих резко выраженными окислительными свойствами, но среди них есть и такие, химическая стойкость которых выше, чем золота и платины.

Поэтому полимеры широко используются в качестве контейнеров для особо чистых реактивов и воды, защиты и герметизации радиокомпонентов, и особенно полупроводниковых приборов и ИС.

Особенность полимеров состоит еще и в том, что они по своей природе не являются вакуумплотными. Молекулы газообразных и жидких веществ, особенно воды, могут проникать в микропустоты, образующиеся при движении отдельных сегментов полимера, даже если его структура бездефектна.

Полимеры выполняют роль защиты металлических поверхностей от коррозии в случаях, когда:

  • толщина слоя велика,

  • полимер оказывает пассивирующее действие на активные (дефектные) центры металла, тем самым подавляя коррозионное действие влаги, проникающей к поверхности металла.

Как видно, герметизирующие возможности полимеров ограничены, а пассивирующее их действие неуниверсально. Поэтому полимерная герметизация применяется в неответственных изделиях, эксплуатирующихся в благоприятных условиях.

Для большинства полимеров характерно старение — необратимое изменение структуры и свойств, приводящее к снижению их прочности. Совокупность химических процессов, приводящих под действием агрессивных сред (кислород, озон, растворы кислот и щелочей) к изменению строения и молекулярной массы, называется химической деструкцией.

Наиболее распространенный ее вид — термоокислительная деструкция — происходит под действием окислителей при повышенной температуре. При деструкции не все свойства деградируют в равной мере: например, при окислении кремнийорганических полимеров их диэлектрические параметры ухудшаются несущественно, так как Si окисляется до оксида, который является хорошим диэлектриком.

Многие полимеры, такие как полиуретаны, полиэфирные и эпоксидные смолы, склонны к воспламенению, что зачастую недопустимо при практическом применении. Для предотвращения этого применяются различные добавки или используются галогенированные полимеры.

Галогенированные ненасыщенные полимеры синтезируют путем включения в конденсацию хлорированных или бромированных мономеров, дибромнеопентилгликоля или тетрабромфталевой кислоты.

Главным недостатком таких полимеров является то, что при горении они способны выделять газы, вызывающие коррозию, что может губительно сказаться на располагающейся рядом электронике. Учитывая высокие требования экологической безопасности, особое внимание уделяется галоген-несодержащим компонентам: соединениям фосфора и гидроксидам металлов.

Глава 2

Производство и применение полимеров

2.1. Способы получения полимеров

Полимеры получают методами полимеризации или поликонденсации.

Полимеризация (полиприсоединение). Это реакция образо­вания полимеров путем последовательного присоединения молекул низкомолекулярного вещества (мономера). Большой вклад в изуче­нии процессов полимеризации внесли отечественные ученые С.В.Лебедев, С.С.Медведев и др. и зарубежные исследователи Г.Штаудингер, Г.Марк, К.Циглер и др. При полимеризации не обра­зуются побочные продукты и соответственно элементный состав макромолекул не отличается от состава молекул мономеров. В каче­стве мономеров используются соединения с кратными связями: С=С, C=N, C=С, С=О, С=С=О,С=С=С, C=N, либо соединения с цикличе­скими группами, способными раскрываться

В процессе полимеризации происходит разрыв кратных связей или раскрытие циклов у мономеров и возникновение химических связей между группами с образованием макромолекул, например:

По числу видов участвующих мономеров различают гомополиме-ризацию (один вид мономера) и сополимеризацию (два и более видов мономеров).

Полимеризация — самопроизвольный экзотермический процесс (DG<0, DH<0 ), так как разрыв двойных связей ведет к уменьшению энергии системы. Однако без внешних воздействий (инициаторов, ка­тализаторов и т.д.) полимеризация протекает обычно медленно. Поли­меризация является цепной реакцией. В зависимости от характера ак­тивных частиц различают радикальную и ионную полимеризации.

При радикальной полимеризации процесс инициирует­ся свободными радикалами. Реакция проходит через несколько ста­дий: а) инициирование; б) рост цепи; в) передача или обрыв цепи:

а) инициирование - образование активных центров - радикалов и макрорадикалов — происходит в результате теплового, фотохимиче ского, химического, радиационного или других видов воздействий. Чаще всего инициаторами полимеризации служат пероксиды, азосое-динения (имеющие функциональную группу - N = N -) и другие со­единения с ослабленными связями. Первоначально образуются ради­калы, например:

6Н5СОО)2 2C6H5COO*(R*) пероксид бензоила

Затем образуются макрорадикалы, например при полимеризации хлорвинила:

R* +СН2 = СНСl ® RCH2 – СНСl*

RCH2 — СНСl* + СН2 = CHCl ®  RCH2 — СНСl — СН2 — СНСl* и т.д.;

б)         рост цепи происходит за счет присоединения к радикалам об­разующихся мономеров с получением новых радикалов;

в)         передача цепи заключается в переносе активного центра на другую молекулу (мономер, полимер, молекулы растворителя):

R-(-CH2-CHCl-)n-CH2-CHCl* + CH2=CHCl ®

®R-(-CH2 -CHCl-)n -СН2 -СН2Сl + СН = СНСl*

В результате рост цепи прекращается, а молекула-передатчик, в данном случае молекула мономера, инициирует новую реакционную цепь. Если передатчиком служит полимер, то может произойти раз­ветвление цепи.

В стадии обрыва цепи происходит взаимодействие радикалов с образованием валентно-насыщенных молекул:

R-{-CH2 - СНCl-)n- СН2- СНСl* + R-(-CH2- СНСl-)n- СН2- СНСl* ® R- (-СН2- СНСl-)n- CH2- CHCl – СН2- СНСl- (-СН2-СНСl)n- R

Обрыв цепи может также произойти при образовании малоактив­ных радикалов, которые не способны инициировать реакцию. Такие вещества называют ингибиторами.

Таким образом, регулирование длины и соответственно молеку­лярной массы макромолекул можно осуществлять с помощью ини­циаторов, ингибиторов и других веществ. Тем не менее передача и обрыв цепи могут происходить на различных этапах роста цепи, по­этому макромолекулы имеют различную молекулярную массу, т.е. полидисперсны. Полидисперсность является отличительной особен­ностью полимеров.

Радикальная полимеризация служит промышленным способом синтеза многих важных полимеров таких, как поливинилхлорид [-СН-СНСl-]n, поливинилацетат [-СН2-СH(ОСОСНз)-]n, полистирол [-СН2-СН(С6Н5)-]n, полиакрилат [-CH2-C(CH3)(COOR)-]n, полиэти­лен [-СН2-СН2-]n, полидиены [-CH2-C(R)=CH-CH2-]n, и различных сополимеров.

Ионная полимеризация также происходит через стадию образования активных центров, роста и обрыва цепи. Роль активных центров в этом случае играют анионы и катионы. Соответственно различают анионную и катионную полимеризацию. Инициа­торами катионной полимеризации служат электроноакцепторные соединения, в том

числе протонные кислоты, например H2SO4 и НСl, неорганические апротонные кислоты (SnCl4, TiCl4, A1Cl3 и др.), металлоорганические соединения А1(С2Н5)3 и др. В качестве инициато­ров анионной полимеризации используются элекронодонорные веще­ства и соединения, в том числе щелочные и щелочноземельные ме­таллы, алкоголяты щелочных металлов и др. Часто одновременно используется несколько инициаторов полимеризации.

Рост цепи можно записать уравнениями реакции:

при катионной полимеризации и

Mn+ M ® M+n+1

при анионной полимеризации

Mn+ M ® M-n+1

Рассмотрим в качестве примера катионную полимеризацию изо-бутилена с инициаторами АlСl3 и Н2О. Последние образуют комплекс

А1Сl3 + Н2О « Н+[АlOНСlз]-

Обозначив этот комплекс формулой H+X- процесс инициирова­ния полимеризации можно представить в виде

Возникающий комплексный катион вместе с противоионом X- образует макроион, который обеспечивает рост цепи:

С помощью некоторых комплексных инициаторов удается полу­чить полимеры, имеющие регулярную структуру (стереорегулярные полимеры). Например, таким комплексным инициатором может быть комплекс тетрахлорида титана и триалкилалюминия AIR3.

Метод ионной полимеризации используется в производстве поли-изобутилена [-СН2-С(СНз)2-]п, полиформальдегида [-СН2О-]n, поли­амидов, например поли-e-капроамида (капрона) [-NH-(CH2)5-CO-]n, синтетических каучуков, например бутадиенового каучука [-СН2-СН=СН-СН2-]n.

Методом полимеризации получают 3/4 всего объема выпускаемых полимеров. Полимеризацию проводят в массе, растворе, эмульсии, суспензии или газовой фазе.

Полимеризация в массе (в блоке) - это полимеризация жидкого мономера (мономеров) в неразбавленном состоянии. При этом получают достаточно чистый полимер. Основная сложность проведения процесса связана с отводом теплоты. При полимеризации в растворе мономер растворен в растворителе. При таком способе по­лимеризации легче отводить теплоту и регулировать состав и струк­туру полимеров, однако возникает задача удаления растворителя.

Эмульсионная полимеризация (полимеризация в эмульсии) заключается в полимеризации мономера, диспергирован­ного в воде. Для стабилизации эмульсии в среду вводят поверхност­но-активные вещества. Достоинство способа - легкость отвода тепло­ты, возможность получения полимеров с большой молекулярной мас­сой и высокая скорость реакции, недостаток - необходимость отмыв­ки полимера от эмульгатора. Способ широко применяется в промыш­ленности для получения каучуков, полистирола, поливинилхлорида, поливинилацетата, полиметилакрилата и др.

При суспензионной полимеризации (полимеризации в суспензии) мономер находится в виде капель, диспрегированных в воде или другой жидкости. В результате реакции образуются полимерные гранулы размером от 10-6 до 10-3 м. Недостаток метода - необходимость стабилизации суспензии и отмывки полимеров от стабилизаторов.

При газовой полимеризации мономер находится в газо­вой фазе, а полимерные продукты - в жидком или твердом состоя­нии. Метод применятся для получения полипропилена и других по­лимеров.

Поликонденсация. 

Реакция синтеза полимера из соединений, имеющих две или более функциональные группы, сопровождающаяся образованием низкомолекулярных продуктов (Н2О, NH3, HCl, СН2О и др.), называется поликонденсацией. Существенный вклад в изучении процессов поликонденсации внесли российские ученые В.Коршак, Г.Петров и другие, из зарубежных ученых - У.Карозерс, П.Флори, П.Морган и др. Поликонденсация бифункциональных соединений получила название линейной, например:

2NH2-(CH2)5-COOH ®

амииокапроновая кислота

®NH2-(CH2)5-CO-NH-(CH2)5-COOH + Н2О®

 NH2-(CH2)5-CO-NH-(CH2)5-COOH + NH2-(CH2)5-COOH ®

® NH2-(CH2)5-CO-NH-(CH2)5-CO-NH-(CH2)5-COOH+ H2O ит.д.

Конечным продуктом будет поли-e-капроамид [-CO-NH-(CH2)5-]n. Поликонденсация соединений с тремя или более функциональ­ными группами называется трехмерной. Примером трехмерной поликонденсации служит взаимодействие мочевины и формальдегида:

NH2-CO-NH2 + СН2О ® NH2-CO-NH-CH2OH

NH2-CO-NH-CH2OH + СН2О ® CH2OH-NH-CO-NH-CH2OH

2 CH2OH-NH-CO-NH-CH2OH ®

® Н2О + CH2OH-NH-CO-NH-CH2-O-CH2- NH-CO-NH-CH2OH

На первом этапе синтезируется олигомер линейной структуры:

[-СН2- NH-CO-NH-CH2-O]n

На втором этапе при нагревании в кислой среде происходит даль­нейшая поликонденсация олигомера с выделением СН2О и возникно­вением сетчатой структуры:

Такой полимер невозможно превратит, в исходное состояние, он не обладает термопластичными свойствами и называется термо­реактивным полимером.

Так как в процессе поликонденсации наряду с высокомолекуляр­ными образуются низкомолекулярные продукты, то элементные со­ставы полимеров и исходных веществ не совпадают. Этим поликон­денсация отличается от полимеризации. Поликонденсация протекает по ступенчатому механизму, при этом промежуточные продукты яв­ляются стабильными, т.е. поликонденсация может остановиться на любой стадии. Образующиеся низкомолекулярные продукты реакции (Н2О, NH3, HCl, СН2O и др.) могут взаимодействовать с промежуточ­ными продуктами поликонденсации, вызывая их расщепление (гидролиз, аминолиз, ацидолиз и др.), например:

- NH-CO-(CH2)5-NH-CO-(CH2)5- + Н2О ®

® - NH-CO-(CH2)5-NH2-HO-CO-(CH2)5

Поэтому низкомолекулярные продукты приходится удалять из ре­акционной среды.

Монофункциональные соединения, присутствующие в реакцион­ной среде, взаимодействуют с промежуточными продуктами, образуя нереакционноспособные соединения. Это приводит к обрыву цепи, поэтому исходные мономеры должны быть очищены от монофунк­циональных соединений. Монофункциональные соединения могут образовываться в ходе реакции из-за термической или окислительной деструкции промежуточных соединений. Это приводит к остановке ре­акции поликонденсации и уменьшению молекулярной массы полимера.

Поликонденсацию проводят либо в расплаве, либо в растворе, ли­бо на межфазной границе.

Поликонденсацию в расплаве ведут без растворителей, нагревая мономеры при температуре на 10—20 °С выше температуры плавле­ния (размягчения) полимеров (обычно 200—400°С). Процесс начина­ется в среде инертного газа и заканчивается в вакууме.

При поликонденсации в растворе используют растворитель, кото­рый также может служить абсорбентом низкомолекулярного продукта.

Межфазная поликонденсация происходит на границе раздела фаз газ — раствор или двух несмешивающихся жидкостей и обеспечива­ет получение полимеров с высокой молекулярной массой.

Методом поликонденсации получают примерно четвертую часть выпускаемых полимеров, например поли-e-капроамид (капрон), поли-гексаметиленадипинамид (найлон) [—NH(CH2)6NHCO(CH2)4CO—]n, полиэфиры (полиэтилентерефталат [-(-ОС)С6Н4(СО)ОСН2СН2-]n), полиуретаны [-OROCONHR'NHCO-]n, полисилоксаны [-SiR2-O-]n, полиацетали [- OROCHR' -]n, фенолоформальдегидные смолы

   

Таким образом, полимеры получают методами полимеризации и поликонденсации. Полимеризация протекает по цепному механизму. При поликонденсации образуются как полимеры, так и низкомолеку­лярные продукты.

2.2. Использование полимеров в промышленности

Полимерные материалы нашли широчайшее применение во всех отраслях промышленности благодаря своим уникальным свойствам. Рассмотрим конкретные примеры их использования в различных секторах экономики.

1. Химическая промышленность

В химической отрасли полимеры используются как:

- Катализаторы и ионообменные смолы (полистирол с сульфогруппами)

- Мембраны для разделения газов и жидкостей (полиимиды, полиакрилонитрил)

- Адсорбенты (пористые полимеры на основе дивинилбензола)

Яркий пример - производство ионообменных смол для водоочистки, где полимерные материалы эффективно удаляют соли тяжелых металлов.

2. Автомобилестроение

Современный автомобиль содержит до 15% полимерных компонентов:

- Детали салона (полипропиленовые панели, полиуретановые сиденья)

- Элементы кузова (поликарбонатные фары, полиамидные радиаторные решетки)

- Технические детали (полиацеталевые шестерни, фторопластовые уплотнители)

Например, компания BMW активно использует углепластики на основе эпоксидных смол для изготовления кузовных деталей.

3. Пищевая промышленность

Здесь полимеры применяются для:

- Упаковки продуктов (ПЭТ-бутылки, полипропиленовые контейнеры)

- Оборудования (фторопластовые покрытия, полиэтиленовые трубопроводы)

- Вспомогательных материалов (полиамидные фильтры, силиконовые формы)

Показательный пример - многослойная полимерная упаковка для молочных продуктов, сочетающая полиэтилен, алюминиевую фольгу и полиэстер.

4. Электротехническая промышленность

Полимеры незаменимы для:

- Изоляции кабелей (сшитый полиэтилен, ПВХ)

- Корпусов приборов (АБС-пластик, поликарбонат)

- Печатных плат (эпоксидные смолы, полиимидные пленки)

Например, тефлон (политетрафторэтилен) широко применяется в высокочастотной технике благодаря уникальным диэлектрическим свойствам.

5. Строительная индустрия

В строительстве используются:

- Теплоизоляционные материалы (пенополистирол, полиуретановые пены)

- Герметики и клеи (силиконы, полиуретановые композиции)

- Отделочные материалы (ПВХ-панели, полимербетон)

Яркий пример - полимерные мембраны для гидроизоляции фундаментов, сочетающие прочность и долговечность.

6. Медицинская промышленность

Специальные медицинские полимеры применяются для:

- Изготовления имплантатов (полиэтилен для суставов, силиконы)

- Производства одноразовых инструментов (полипропилен, полистирол)

- Создания лекарственных форм (полилактид для капсул)

Например, полиэфирэфиркетон (PEEK) используется для изготовления спинальных имплантатов благодаря биосовместимости и прочности.

Современные тенденции показывают, что использование полимеров в промышленности продолжает расширяться, особенно в направлениях, связанных с нанотехнологиями, биоразлагаемыми материалами и "умными" полимерами с заданными свойствами.

Практическая часть

Для достижения поставленной цели мы побывали в Центре прогрессивных материалов и аддитивных технологий в лаборатории прогрессивных полимеров, который находится в КБГУ им. Х. М. Бербекова.

История создания Центра прогрессивных материалов и аддитивных технологий берет начало с 60-70-х годов XX века, когда в Кабардино-Балкарском государственном университете одним из ведущих ученых в нашей стране в области науки о полимерах профессором А.К. Микитаевым (1942-2017 гг.) созданы отраслевая лаборатория «Термостойкие полимеры в электронной технике», НИИ высокомолекулярных соединений, ОКТБ «Марс».

На базе этих структур в 2008 году был сформирован научно-образовательный центр «Полимеры и композиты» Кабардино-Балкарского государственного университета.

В период функционирования НОЦ «Полимеры и композиты» были получены ряд оригинальных научных результатов в области синтеза поликонденсационных полимеров различного класса, разработки рецептур и технологий изготовления композитных и нанокомпозитных материалов на основе поливинилхлорида, полиэтилентерефталата и органомодифицированных глин, поддержанных в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России», Аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы».

Коллективом НОЦ успешно выполнены 2 проекта по созданию высокотехнологичного производства новой полимерной продукции в рамках Постановления №218 Правительства Российской Федерации.

В 2014 году на базе НОЦ совместно с Фондом перспективных исследований создана Лаборатория прогрессивных полимеров, которую возглавила ученица А.К. Микитаева, доктор химических наук, профессор С.Ю. Хаширова.

В 2017 году Лаборатория прогрессивных полимеров преобразована в научно-исследовательский Центр прогрессивных материалов и аддитивных технологий.

В рамках выполненных в последние годы совместных проектов с Фондом перспективных исследований и Министерством образования и науки РФ коллективом Центра сформирован уникальный научно-технический задел в области создания новых прогрессивных суперконструкционных полимеров и технологий их 3D печати. Разработаны высокоэффективные технологии производства суперконструкционных полимеров и композитов на их основе, которые не имеют аналогов в России и по большинству характеристик превосходят зарубежные подобные материалы.  Разработаны технологии 3D печати полученных суперконструкционных полимеров, которые позволяют получать 3D изделия для ответственных применений, не уступающие по свойствам литьевым.

Полученные коллективом результаты интеллектуальной деятельности защищены более чем 150 патентами РФ и 10 «ноу-хау».

Результаты проектов выполненных коллективом Центра прогрессивных материалов и аддитивных технологий удостоены ряда наград на ведущих международных отраслевых выставках.

Мы просмотрели данные в интернете и наткнулись на такие новости:

Суперполимеры из Нальчика: ученые из России сделали важный шаг в будущее медицины

Материал уже испытали на животных, впереди клинические испытания на людях.

Научную революцию совершили ученые из Нальчика. Они разработали суперполимеры. Это материал невероятной прочности, который и в воде не тонет, и в огне не горит. При этом способен выдерживать колоссальные нагрузки.

Но самое главное, что новинка абсолютно универсальна: ее можно будет использовать сразу в десятках сфер — от медицины до космической отрасли.

О новинке рассказал корреспондент «Известий» М. Магомедов.

Ученые в Кабардино-Балкарии научились получать суперполимеры. Вот на вид обычный кусок пластика, но он не ломается и не горит. Выдерживает огромные нагрузки.

Этот уникальный материал можно использовать в космической отрасли, военной промышленности и в медицине. В этих лабораториях ученые-химики производят инновационные полимеры. Процесс настолько сложен, что требует специальных реакторов, которые можно сравнить с высокотехнологичными «кухнями» для создания материалов будущего.

Представьте, что вы на кухне и готовите блюдо. Вот эта кастрюля, куда вы добавляете все ингредиенты и в конце получаете необходимый продукт, 

— поделился младший научный сотрудник Центра прогрессивных материалов и аддитивных технологий Кабардино-Балкарского государственного университета Ш. Афаунов.

Раньше российские ученые могли производить биополимеры лишь в небольших объемах — 5-10 граммов. Теперь же в Нальчике эти полимеры создают в промышленных масштабах — килограммами.

Этот порошок называется Полиэфирэфиркетон. На научном языке — это суперконструкционный полимер. Если говорить проще, из этого материала можно получить изделия, которые выдерживают разные нагрузки, высокие температуры. И главное, он — биосовместим, то есть из него можно получить импланты для человека.

На 3D принтере из этого материала можно сделать зубные импланты, костные протезы и даже фрагменты черепа.

В этом отечественном 3D принтере, сейчас печатается эндопротез для малой берцовой кости из новейшего биосовместимого материала, 

— рассказал М. Магомедов.

Импланты нового поколения организм человека воспринимает как свои собственные ткани. Вероятность отторжения — минимальна. Это уже доказано доклиническими исследованиями. Вот что в итоге удалось напечатать. Сейчас пациентам вживляют аналогичные элементы, но из титана.

В отличие от титана, он полимерный, во-первых, он на 40 процентов легче. Во-вторых, он очень устойчив к биологическим тканям и биологическим жидкостям организма, 

— объяснила руководитель проекта, проректор по научно-исследовательской работе КБГУ С. Хаширова.

Материал уже испытали на лабораторных крысах. Ученые установили биополимерные крепления на сломанные лапки грызунов. Спустя три месяца крысы чувствуют себя отлично, кости срослись.

Полимерные заплатки для черепа заграницей стоят десятки тысяч долларов. Российский аналог, который ничем не хуже, а по некоторым характеристикам даже лучше, стоить будет в пять раз дешевле.

Новую технологию планируют использовать в нейрохирургии. Уже в этом году врачи начнут использовать российский биополимер. На первом этапе прооперируют 10 пациентов.

Будем смотреть, будем наблюдать. Будем наблюдать клинические испытания, отсроченные реакции. Если материал приживется, не будет осложнений, то мы будем уже массово это использовать, 

— рассказал главный нейрохирург республики Кабардино-Балкария М. Кишев.

А. Виндижева согласилась на себе испытать новые биоматериалы. Уже 7 лет ее мучают грыжи в позвоночнике. Ей предлагали имплантировать металлические штифты, но женщина отказалась, опасаясь осложнений. Она знает, что биополимерные импланты гораздо безопаснее для организма.

Я как химик понимаю, какие процессы именно на молекулярном уровне в организме могут происходить, поэтому доверие имеется, 

— поделилась жительница города Нальчик А.Виндижева.

Ученые подчеркивают — это только начало. Исследования и эксперименты продолжаются. В недалеком будущем можно будет печатать биологические ткани: кожу, мышцы, хрящи, возможно, целые части тела и даже внутренние органы.

Мы ознакомились с представленным оборудованием. Там представлены:

Автоклав для полимеризации (реактор высокого давления).

Нужен, чтобы проводить химические реакции при повышенных давлениях и температурах. 

Это позволяет:

  • Ускорить реакцию за счёт увеличения числа столкновений молекул и активности молекул при высоком давлении.

  • Увеличить выход продукта благодаря созданию оптимальных условий для реакции.

Автоклавы применяются в химической, нефтехимической и фармацевтической промышленности, а также в научных исследованиях. Они могут использоваться как в периодическом, так и в непрерывном режиме.

Реактор для полимеризации с системой дистилляции.

Нужен для разделения компонентов, которые образуются в процессе полимеризации. 

Система дистилляции позволяет:

  • Отогнать растворитель или выпарить часть влаги, если это необходимо в ходе синтеза. Для этого реактор оснащают горизонтальным конденсатором или флегмоделителем, который может выводить конденсат в отдельную ёмкость или возвращать его обратно в реактор.

  • Разделить компоненты на основе различия температур кипения. Например, при нагревании сначала испаряются вещества с наименьшей температурой кипения, а с ростом температуры — компоненты с более высокой температурой. 

Таким образом, реактор с системой дистилляции обеспечивает контроль процесса полимеризации, позволяя получать продукты с нужными свойствами.

Лабораторный экструдер для полимеров.

Нужен для исследования и разработки процессов экструзии — процесса, при котором материал в твёрдом или порошкообразном состоянии под воздействием тепла и давления проталкивается через фильеру для получения непрерывной формы. 

Мини-экструдер для производства плёнки из полимеров.

Мини-экструдеры подходят для производства однослойных плёнок и листов из разных типов полимеров, например PE, PP, PA6, PC, PET, EVOH, PLA, PS, ABS. Благодаря компактным размерам такое оборудование можно использовать в небольших цехах или лабораториях.

Галерея

Заключение

В ходе выполнения проекта мы исследовали роль полимеров в нашей повседневной жизни и убедились, что они играют ключевую роль в различных сферах деятельности человека. Полимеры не только упростили многие аспекты нашей жизни, но и значительно повысили её качество.

От бытовых предметов, таких как пластиковые бутылки и пакеты, до сложных технологий в медицине и строительстве — полимеры повсюду вокруг нас. Их уникальные свойства, такие как прочность, лёгкость и устойчивость к воздействию окружающей среды, делают их незаменимыми материалами в современном мире.

Мы также отметили важность экологических аспектов использования полимеров. Проблемы загрязнения и утилизации пластиковых отходов требуют новых решений и технологий, которые помогут минимизировать негативное воздействие на окружающую среду.

В перспективе развитие полимерных технологий будет направлено на создание более экологически чистых и биоразлагаемых материалов. Это позволит не только сохранить природные ресурсы, но и улучшить качество жизни будущих поколений.

Таким образом, полимеры продолжают оставаться одним из важнейших факторов технического прогресса и развития общества, и их роль в нашей жизни будет только возрастать.

Литература и информационные источники

https://himstab.ru/info/articles/vtorichnaya-pererabotka/pererabotka-plastika/

https://trends.rbc.ru/trends/innovation/621d65569a7947b826978348

https://ru.wikipedia.org/wiki/Полимеры

https://trends.rbc.ru/trends/innovation/621d65569a7947b826978348

https://foxford.ru/wiki/himiya/iskusstvennye-i-sinteticheskie-polimery?utm_referrer=https%3A%2F%2Fyandex.ru%2F

Просмотров работы: 21