Основные представители промышленных полимеров (исходные мономеры, способы получения, области применения).

Мономеры - исходные вещества для получения полимеров. Они представляют собой низкомолекулярные соединения, молекулы которых, взаимодействуя между собой, образуют макромолекулы. Таковыми являются молекулы, которые имеют в своем составе кратные связи, неустойчивые циклы, реакционноспособные функциональные группы не менее двух. Сырьем для получения мономеров в основном является нефть, попутные газы нефтедобычи и природный газ, а также продукты переработки каменного угля и других видов твердого топлива.

Полимеры, синтезируемые из мономеров получают по реакциям полимеризации и поликонденсации. Полимеризация является разновидностью реакции присоединения. Реакция присоединения большого числа молекул мономера между собой происходит за счет разрыва кратных связей, раскрытия циклов без выделения побочных продуктов, вследствие чего полимер и мономер имеет один и тот же элементарный состав.

Поликонденсацию можно рассматривать как частный случай реакции замещения, при которой происходит процесс образования высокомолекулярного соединения за счет способных к взаимодействию функциональных групп. При этом молекула каждого мономера должна содержать не менее двух функциональных групп. Реакция сопровождается с и отщеплением низкомолекулярных побочных продуктов (вода, аммиак, НС1 и др.). В результате этого состав высокомолекулярного соединения, полученного реакцией поликонденсации, будет отличаться от элементарного состава исходного мономера. Этим отличается процесс полимеризации от поликонденсации.

Полиэтилен, [- СН₂ - CH₂ -]п представляет собой полимер, полученный в результате реакции полимеризации этилена. Полимер этилена в производстве получают при различных давлениях: высоком - полиэтилен высокого давления (ПЭВД), среднем - полиэтилен (ПЭСД) и низком полиэтилен (ПЭНД).

Полиэтилен - твердый термопластичный полимер от белого до желтоватого цвета, не имеет вкуса и запаха. Структура, свойства в основном определяется способами проведения реакции полимеризации. Полиэтилен, получаемый под высоким давлением при повышенной температуре, отличается низкой плотностью, имеет разветвленную аморфную структуру, что придает сильную устойчивость, прочность. Полимеризацию этилена можно проводить при атмосферном давлении и комнатной температуре в присутствии катализаторов Циглера-Натта. Такой полиэтилен имеет линейную структуру, характеризуется высокой степенью кристалличности, что придаст ему большую
плотность и хорошую механическую.

Полиэтилен — неполярный полимер, обладающий высокими электроизоляционными свойствами, которые сохраняются без изменения в широком диапазоне температур и частот.

Полимер этилена инертен к действию многих химических реагентов и химическая стойкость зависит от величины молекулярной массы и плотности. Он не реагирует со щелочами любой концентрации, с растворами солей, даже солями окислителями, органическими кислотами, даже с концентрированными соляной, плавиковой кислотами.

В промышленности полимеры этилена получают путем полимеризации по радикальному механизму сжиженного мономера (полимеризация в массе) -полиэтилен высокого давления (ПЭВД). Полимеризация этилена при низком давлении (ПЭНД) идет по ионному механизму в присутствии катализатора Циглера-Натга [А1(С₂Н₅)₃ + TiCl₄ или Ti(OR)₄] в суспензии при температуре ниже 95 ⁰С или в растворе при 130 ⁰С и выше. Полимер среднего давления (ПЭСД) получают также в суспензии или в растворе в присутствии металлических катализаторов (оксиды хрома, молибдена).
Полиэтилен и композиции на его основе - полимеры с чрезвычайно широким набором свойств и используется в больших объемах для самых различных целей, вследствие чего полиэтилен считается королем пластмасс.

Из полиэтилена изготовляют емкости для хранения агрессивных сред, аппараты, оборудования, арматуру, вентиляционные установки, струйные, центробежные насосы, шланги, конструкционные детали для машин, отстойники, оросительные колонны. Полимер используют для производства труб разного назначения, магистральных трубопроводов, санитарно-технических изделий. Полиэтилен применяют для изоляции проводов, кабелей, как диэлектрики в высокочастотных и телевизионных установках, как пористый тепло- и звукоизолирующий материал.

Полипропилен - [-СН₂-СН(СН₃)-]п получают путем каталитической полимеризации мономера в растворе или массе (блоке) в присутствии комплексного катализатора Циглера-Натта. Полипропилен представляет собой термопластичный линейный полимер, имеющий аморфную и стереорегулярную структуру.

Полипропилен устойчив к действию многих агрессивных сред даже при повышенной температуре, только при присутствии сильных окислителей (концентрированной азотной, серной кислот, хромовой смеси) темнеет и разрушается при длительном контакте с ними.

Чистый полипропилен - бесцветный полимер без запаха и вкуса, физиологически безвреден. Для него характерна очень низкая газо- и паропроницаемость. Он плохо проводит тепло.

Полипропилен отличается хорошими диэлектрическими свойствами. Полимер из пропилена обладает высокой термостойкостью. Термическая деструкция полимера при нагревании в отсутствие воздуха становится заметной при 300 ⁰С, что значительно выше области температур эксплуатации изделий.

Для улучшения отдельных показателей материала при сохранении основного комплекса свойств полимера проводят модифицирование полипропилена путем направленного изменения его структуры или состава. Модификацию осуществляют следующими способами: сополимеризацией пропилена с другими мономерами, введением в макромолекулы полимера функциональных групп, воздействием на надмолекулярную структуру полимера, а также созданием композиций с помощью различных добавок органического и неорганического происхождения.

Приведенные физико-механические, химические свойства полипропилена обуславливает широкий спектр применения в разных отраслях промышленности и техники химической, автомобильной, строительной, электротехнической, пищевой, легкой, медицинской и др.

Полиизобутилен - полимер изобутилена, получаемый при полимеризации в присутствии катализаторов. Он представляет неполярный регулярный полимер. Устойчив к действию кислорода и озона при нормальных температурах, стоек к воде, разбавленной и концентрированной серной, соляной, уксусной и муравьиной кислотам, а также разбавленным и концентрированным щелочам, аммиаку, растворам солей, перекиси водорода. На солнечном свету или при облучении УФ лучами полимер разрушается, не стоек при действии хлора или брома, но стоек к старению.

Полиизобутилен смешивается в любых соотношениях с натуральными и синтетическими каучуками, полиэтиленом, поливинилхлоридом, фенолформальдегидными смолами.

Растворы изобутилена используются в качестве клеев и для производства липкой ленты. Высокая коррозионностойкость полимера применяется как антикоррозионные покрытия для химической аппаратуры, трубопроводов, в производстве водостойких тканей и др.

Полиизобутилен используется в виде гидроизоляционных пленок, прокладочных материалов при сооружении фундаментов и для гидроизолляционных мембран при стройке автомобильных дорог.

 

Полистирол - один из наиболее известных, достаточно хорошо изученных полимеров. Его получают при полимеризации стирола по свободнорадикальному и ионному механизмам реакции. Полимеризацию проводят в блоке, растворе, в эмульсии или в суспензии.

Полистирол представляет собой бесцветный, твердый, стеклоподобный, термопластичный полимер преимущественно линейного строения. Он обладает хорошими оптическими свойствами, пропускает до 90% лучей видимого спектра. Под действием УФ-лучей происходит помутнение и пожелтение полистирола, увеличивается его хрупкость.

Полистирол отличается большой стойкостью к воде, щелочам, кислотам (особенно галогенводородным), но разрушается под действием концентрированной и ледяной уксусной кислоты.

Полистирольные волокна, нити, пленки применяют в волоконной оптике (передача света и изображения по пучкам волокон), электротехнике и производстве армированных пластиков.

Смесь тонкодисперсного полистирола с порообразователями (например, с азонитрилом диизомаслянной кислоты) в прессовом виде при нагревании выше температуры размягчения полимера происходит разложение порообразователя с выделением газов, и полужидкая масса превращается в пенопласт. Охлажденный пенопласт представляет собой исключительно легкий (в 50 раз легче воды) водостойкий, прочный материал с превосходными электро-, тепло- и звукоизолирующими свойствами, который применяется как легкие и прочные конструкции в строительстве, холодильной технике, судостроении, машиностроении.

Полистирол, имея ароматическое кольцо, легко может подвергаться сульфированию, нитрованию, галогенированию и т.д. и полученные в результате таких реакций продукты используются в производстве ионитов, привитых сополимерных красителей и др.

- твердый полимер белого цвета, преимущественно линейного строения. ПВХ в основном получают путем эмульсионной или суспензионной полимеризации, отличается значительной полидисперсностью.

ПВХ при обычных условиях устойчив к кислотам и щелочам, атмосферостоек, негорюч, физиологически совершенно безвреден. При длительном нагревании при температуре более 65 ⁰С атомы хлора в макромолекуле могут замещаться ацетатными, аминными, арильными, гидроксильными или др. группами.

Введение пластификаторов снижает температуры стеклования, повышает эластичность полимера. ПВХ хорошо совмещается с акрилнитрильными, эпоксидными, фенолформальдегидными смолами.

Из ПВХ изготовляют линолеум, гидро- и газоизоляционные пленки, листы для облицовки резервуаров, плавательных бассейнов и др. емкостей, а также поропласты, трубы и т.д. ПВХ используется для получения строительных изделий: плинтусы, карнизы, поручни и т.д.

Немодифицированный ПВХ назвают винипластом. Он отличается жесткой структурой, имеет высокие химические, механические и диэлектрические свойства. Винипласт применяют как конструкционный материал в химической промышленности, строительном производстве, в системах водоснабжения, канализации, а также в качестве упаковочного материала бытовых товаров.

Пластифицированный ПВХ (пластикат) применяют для производства мягких материалов: уплотняющих прокладок, мягких резервуаров, тары трубок, лент, пленок, мембран и т.д.

Политетрафторэтилен или фторопласт-4, тефлон [- CF₂ - CF₂ -]n - высококристалиический, термопластический полимер белого цвета. Макромолекула фторопласта-4 отличается регулярным линейным строением.

Фторопласт-4 обладает уникальной химической стойкостью к большинству агрессивных сред, он не горит, не растворяется ни в одном растворителе, на него не действуют сильные окислители и другие агрессивные вещества. Полимер не изменяется при длительном кипячении в горячих концентрированных кислотах и щелочах, даже в «царской водке», за что фторопласт называют «органической платиной».

Политетрафторэтилен можно эксплуатировать в агрессивных средах при температурах от -269 до +280 ⁰С. Он способен медленно взаимодействовать только с элементарным фтором, трехфтористым хлором, расплавленным натрием при 500 ⁰С и металлароматическими комплексами в обычных условиях.

Фторопласт-4 биологически безвреден. Наряду с феноменальной инертностью фторопласт-4 отличается прекрасными электрическими и механическими свойствами, которые сохраняются в широком интервале температур. Такие ценные свойства фотропласта-4 обуславливают широкий спектр применения его в различных отраслях промышленности. Основными потребителями являются электротехническая, химическая промышленность, машиностроение и др.