Приложения
Живые полимеризации используются в промышленном синтезе многих полимеров.
Синтез сополимеров и применение
Сополимеры — это полимеры, состоящие из нескольких различных видов мономеров, и их можно расположить в различном порядке, три из которых показаны на рисунке ниже.
Хотя существуют и другие (чередующиеся сополимеры, привитые сополимеры и стереоблок-сополимеры), эти три более распространены в научной литературе. Кроме того, блок-сополимеры могут существовать многих типов, включая триблок (ABA), чередующийся блок (ABABAB) и т. Д.
Из этих трех типов блок-сополимеры и градиентные сополимеры обычно синтезируются посредством живой полимеризации из-за легкости контроля живой полимеризации. Сополимеры очень желательны из-за повышенной гибкости свойств, которые полимер может иметь по сравнению с их гомополимерными аналогами. Используемые методы синтеза варьируются от ROMP до обычных анионных или катионных живых полимеризаций.
Уникальное свойство этого материала заключается в том, что размер пор (или размер цилиндров из ПММА) можно легко регулировать с помощью соотношения ПС и ПММА при синтезе сополимера. Его можно легко настроить благодаря простому контролю, обеспечиваемому реакциями живой полимеризации, что делает этот метод очень востребованным для создания различных наноразмерных структур различных материалов для применения в катализе, электронике и т. Д.
Что такое полимер?
Полимерами называют высокомолекулярные химические соединения (ВМС) вещества, обладающие молекулярной массой от тысяч до нескольких миллионов атомных единиц. Макромолекулы полимеров образовываются из огромного количества повторяющихся мономерных звеньев. Свойства полимеров зависят от химической природы мономера, молекулярной массы, методом производства полимера, стереоструктурой молекул (расположением в пространстве) и степенью их разветвленности, а также связей между молекулами различной природы.
Большинство полимеров являются по природе диэлектриками, также имеют низкую теплопроводность и достаточно высокие механические характеристики.
Полимеризация в газовой фазе:
Используется, если мономер характеризуется низкой критической температурой кипения.
Преимущества:
- Нет необходимости применять растворители;
- Возможно эффективно применять фото- и радиоинициирование;
Недостатки:
- Необходимость применения высокого давления (~108 Па);
- Очень плохой отвод тепла;
- Изменение кинетики полимеризации при появлении твердой фазы;
Свойства конечных продуктов, таких, как средине молекулярные массы, молекулярно-массовое распределение, молекулярная структура и химическая однородность, значительно зависят от следующих факторов:
- Эффективность теплоотвода при полимеризации;
- Одинакового времени пребывания реагентов в зоне реакции;
- Эффективности перемешивания, обеспечивающего однородный температурный профиль и равномерное распределение реагентов в реакционной среде;
Применение:
Проводят полимеризацию этилена, тетрафторэтилена, п-ксилола и др.
Материалы на основе полимеров
Пластмассы
Пластмассы — материалы на основе полимеров, которые способны под действием нагревания и давления формоваться и сохранять заданную форму после охлаждения.
Помимо высокомолекулярного вещества в состав пластмасс входят также и другие вещества, однако основным компонентом все же является полимер. Благодаря своим свойствам он связывает все компоненты в единую целую массу, в связи с чем его называют связующим.
Пластмассы в зависимости от их отношения к нагреванию делят на термопластичные полимеры (термопласты) и реактопласты.
Термопласты — вид пластмасс, способных многократно плавиться при нагревании и застывать при охлаждении, благодаря чему возможно многоразовое изменение их изначальной формы.
Реактопласты — пластмассы, молекулы которых при нагревании «сшиваются» в единую трехмерную сетчатую структуру, после чего изменить их форму уже нельзя.
Так, например, термопластами являются пластмассы на основе полиэтилена, полипропилена, поливинилхлорида (ПВХ) и т.д.
Реактопластами, в частности, являются пластмассы на основе фенолформальдегидных смол.
Каучуки
Каучуки — высокоэлластичные полимеры, углеродный скелет которых можно представить следующим образом:
Как мы видим, в молекулах каучуков имеются двойные C=C связи, т.е. каучуки являются непредельными соединениями.
Каучуки получают полимеризацией сопряженных диенов, т.е. соединений, у которых две двойные C=C связи, разделены друг от друга одной одинарной С-С связью.
Так например, особо зарекомендовавшими себя мономерами для получения каучуков являются:
1) бутадиен:
2) изопрен:
3) хлоропрен:
В общем виде (с демонстрацией только углеродного скелета) полимеризация таких соединений с образованием каучуков может быть выражена схемой:
Таким образом, исходя из представленной схемы, уравнение полимеризации изопрена будет выглядеть следующим образом:
Весьма интересным является тот факт, что впервые с каучуком познакомились не самые продвинутые в плане прогресса страны, а племена индейцев, у которых промышленность и научно-технический прогресс отсутствовали как таковые. Естественно, индейцы не получали каучук искусственным путем, а пользовались тем, что давала им природа: в местности, где они проживали (Южная Америка), произрастало дерево гевея, сок которого содержит до 40-50% изопренового каучука. По этой причине изопреновый каучук называют также натуральным, однако он может быть получен и синтетическим путем.
Все остальные виды каучука (хлоропреновый, бутадиеновый) в природе не встречаются, поэтому всех их можно охарактеризовать как синтетические.
Однако каучук, не смотря на свои преимущества, имеет и ряд недостатков. Так, например, из-за того что каучук состоит из длинных, химически не связанных между собой молекул, его свойства делают его пригодным для использования только в узком интервале температур. На жаре каучук становится липким, даже немного текучим и неприятно пахнет, а при низких температурах подвержен затвердеванию и растрескиванию.
Технические характеристики каучука могут быть существенно улучшены его вулканизацией. Вулканизацией каучука называют процесс его нагревания с серой, в результате которого отдельные, изначально не связанные друг с другом, молекулы каучука «сшиваются» друг с другом цепочками из атомов серы (полисульфидными «мостиками»). Схему превращения каучуков в резину на примере синтетического бутадиенового каучука можно продемонстрировать следующим образом:
Волокна
Волокнами называют материалы на основе полимеров линейного строения, пригодные для изготовления нитей, жгутов, текстильных материалов.
Классификация волокон по их происхождению
Искусственные волокна (вискозу, ацетатное волокно) получают химической обработкой уже существующих природных волокон (хлопка и льна).
Синтетические волокна получаются преимущественно реакциями поликонденсации (лавсан, капрон, нейлон).
Технологические процессы
В промышленности полимеризацию проводят четырьмя основными методами: выделяют объёмную полимеризацию, полимеризацию в растворе, суспензионную полимеризацию и эмульсионную полимеризацию.
Наиболее широко используется объёмная полимеризация (особенно, если конечный полимер представляет собой твёрдую массу). Это связано с тем, что такой метод позволяет получить полимер с минимальным количеством примесей. К его недостаткам можно отнести проблемы с перемешиванием реакционной массы, теплоотводом, прокачкой по коммуникациям и т. д., которые возникают из-за высокой вязкости. Стенки реактора и приборы для перемешивания загрязняются из-за высокой адгезии смеси к ним.
Остальные методы позволяют избежать указанных проблем либо применяются в тех случаях, когда конечный продукт имеет вид раствора, суспензии или эмульсии. Так, при полимеризации в растворе реакционная смесь имеет более низкую вязкость, из-за чего реактор меньше загрязняется и исчезают проблемы с перемешиванием. С другой стороны, такой процесс имеет более низкую эффективность, требует дополнительной стадии выделения полимера. Также могут существовать проблемы с огнеопасностью и токсичностью используемого растворителя.
В суспензионной полимеризации также используется реакционная смесь с низкой вязкостью, в которой теплоперенос осуществляется более эффективно, чем в объёмной полимеризации. Однако этот процесс также менее эффективен; его нельзя провести в непрерывном режиме (крупнотоннажных непрерывных суспензионных полимеризаций пока не разработано). Также требуются дополнительные затраты на обработку отходов воды.
Эмульсионная полимеризация позволяет получать продукты, имеющие конечную форму эмульсии (латекс). Она имеет те же преимущества (низкую вязкость смеси и хороший теплоперенос), а её недостатки связаны с дорогостоящим процессом выделения полимера и присутствием дополнительной примеси — эмульгатора.
Типы переработки полимеров в изделия
Несмотря на то, что в повседневной жизни термин «переработка пластмасс» используется в значении сбора и вторичного производства изделий из уже использованного пластика, на самом деле у термина несколько другой смысл. Переработкой полимеров называют получение готовых изделий из синтезированных ранее полимеров, в том числе первичных.
Переработка полимеров, как правило происходит при высоких температурах от 150 до 500 градусов Цельсия в зависимости от природы конкретного полимера. Исключение составляют некоторые термореактивные пластики, например двухкомпонентные разновидности эпоксидных смол или пенополиуретана, которые реагируют при комнатной температуре. При переработке в полимер могут вводить разные добавки (в случае, например, не применяющегося в качестве чистого вещества ПВХ, добавки практически обязательны) для лучшей перерабатываемости, придания пластмассе нужных свойств или удешевления продукта. Наиболее употребляемыми аддитивами (добавками для полимеров) являются , например, наполнители, красители, стабилизаторы, пластификаторы, модификаторы, нуклеаторы и т.д.
Классификация
В основу классификации полимеризации могут быть положены различные признаки. Если в полимеризации участвует только один мономер, то такая полимеризация называется гомополимеризацией; если же в реакции участвуют два и более мономеров, то это сополимеризация.
Рост полимерной цепи в ходе полимеризации осуществляется благодаря присоединению молекул мономера к активному центру на растущей цепи. Если этот центр является радикальным, то это радикальная полимеризация. В ионной полимеризации активными центрами являются ионы или поляризованные молекулы. Ионная полимеризация дополнительно подразделяется на катионную и анионную. Дополнительно выделяют стереоспецифическую полимеризацию, при которой происходит образование полимеров с упорядоченной пространственной структурой.
Полимеризация может осуществляться в системах с разным агрегатным состоянием. По этому признаку выделяют блочную полимеризацию, полимеризацию в растворе, эмульсионную или суспензионную полимеризацию (в дисперсных системах), газофазную полимеризацию и твердофазную полимеризацию.
С точки зрения структуры области, в которой сосредоточены активные центры, различают объемную полимеризацию (полимеризация протекает во всем объёме мономера); фронтальную полимеризацию (происходит в узком фронте, распространяющемся в среде мономера); эмульсионную полимеризацию (происходит на поверхности высоко-диспергированных частиц мономера в эмульсии).
