Учитель химии
ОГАОУ «Губернаторский Светленский лицей»
Мегера Р.И.
Медиа – урок
Высокомолекулярные вещества (соединения) (ВМС) и
полимерные материалы на их основе (11 класс)
Цель:
1. Обобщить и расширить знания обучающихся о полимерах, их строении, свойствах
получении, классификации.
2. Знать разные структуры полимеров.
3. Уметь доказывать влияние строение полимеров на их свойства.
4. Знать сущность реакций полимеризации и поликонденсации, уметь записывать
уравнения реакций
Оборудование: компьютерный диск, коллекции «Каучуки», «Пластмассы» и
«Волокна», образцы полиэтилена, вода, серная кислота, гидроксид натрия, пробирки,
спиртовка..
Тип урока: урок - лекция.
Проблема:
Обеспечение ускоренного развития производства современных конструкционных
пластмасс и других полимерных материалов, которые будут находить все большее
применение в нашей жизни. Грамотное обращение с ними на производстве и в быту
на основании знания свойств этих веществ.
План урока: (записан на доске)
1. Значение высокомолекулярных соединений.
2. Основные понятия
- Определение «полимер», «мономер», «структурное звено», «степень полимеризации»
химии ВМС.
3. Способы получения (синтез) полимеров.
4. Классификация полимеров.
5. Свойства полимеров.
6. Применение полимеров.
7. Проблемы при использовании полимеров … и пути их решения.
Ход урока.
1. Значение высокомолекулярных соединений
Подготовка к восприятию нового материала.
Введение в проблему.
Слайд №1
Учитель:
Сегодня нам предстоит знакомство с известными вам веществами – полимерами. Но все
ли мы о них знаем? Автором принципиально новых представлений о полимерах, как о
веществах, построенных из макромолекул, был Штаудингер, победа его идей (к 40-м
годам XX века) привела к тому, что полимеры стали рассматриваться как качественный
объект исследования химии и физики. Постепенно на смену железному веку приходит век
полимеров и веществ, созданных на их основе.
По программе О.С. Габриеляна в 10 классе специального времени на изучение полимеров
и волокон не отводится, она рассматривается в 11 классе, где органические и
неорганические полимеры рассматриваются вместе.
Мы с вами в прошлом году изучали органические соединения, которые имели большую
молекулярную массу и сложное строение. Как они называются? (Полимеры).
Приведите примеры таких соединений. (Полиэтилен, полипропилен, каучуки, резина,
белки и нуклеиновые кислоты). Сегодня на уроке мы подробнее познакомимся с такими
соединениями.
Обсуждаем кратко где используются полимеры и в ходе беседы выясняем, что они
широко применяются во многих областях человеческой деятельности, удовлетворяя
потребности различных отраслей промышленности, сельского хозяйства, медицины,
культуры и быта и выясняем при этом, что причина тому - придание этим веществам
свойств, которыми не обладают природные материалы (полимеры).
Обсуждаем вопрос: что можно изменить в природных соединениях, например в
целлюлозе, чтобы придать ей другие свойства? Для ответа на этот вопрос предполагаем
воспользоваться схемой: состав строение свойства.
Решение проблемы
2. Основные понятия
Запись в тетрадь:
Слайд №2
Приводим определение полимера
Полимеры (ВМС) – это вещества, состоящие из множества повторяющихся
структурных звеньев, соединенных между собой химическими связями (Какими?).
Мполимера = Ммономера n , где n – степень полимеризации
Даем понятие «мономера», подчеркивая, что присоединение молекул мономера
происходит по месту разрыва двойной связи.
А=А + n А=А = (-А-А-А-А-А-А-)n ; определяем структурное звено (–А-А-).
Что общего и в чем состоит отличие между молекулой мономера и структурным
звеном образуемого им полимера?
Следует четко разграничить конкурирующие понятия «молекула мономера»,
«структурное звено». С этой целью необходимо найти в них общее и выяснить, чем они
различаются. Общим является состав и формула, выражающая этот состав. Различие
состоит в том, что молекула существует самостоятельно, а звено находится в составе
макромолекулы. Различаются и характером связей: в молекуле мономера имеется π- связь,
а в структурном звене такой связи нет. Обращаем внимание, что электроны, образующие
π- связь, при полимеризации изменяют свою форму и участвуют в образовании σ-связей
(sp2 –гибридное состояние углерода сменяется sp3 –гибридным). Разграничению этих
понятий помогает и уяснение значения n в левой части и правой части уравнения: в
одном случае это коэффициент, обозначающий число молекул, а в другом случае –
индекс, показывающий число структурных звеньев в макромолекуле. Структурные
звенья макромолекулы называют еще часто элементарными звеньями. Этими терминами
можно пользоваться как синонимами.
Рассмотрим пример образования полиэтилена:
СН2 = СН2 + n СН2 = СН2 = (-СН2- СН2-СН2-СН2-СН2-)n
В качестве структурного звена молекулы полиэтилена обучающиеся склонны
выделять метиленовую группу (-СН2-). Это будет большой ошибкой, которая войдет в
противоречие с последующим материалом. Поэтому уже здесь необходимо четко
разъяснить, что при реакции полимеризации структурные звенья макромолекулы
образуются молекулами мономеров и по составу одинаковые с ними и для полиэтилена
будет -СН2- СН2-.
Первичное закрепление: определить структурное звено у полипропилена и
поливинилхлорида
[(-CH2-CH(CH3)-) CH2-CH(CH3)-]n
[-CH2-CHCl-(CH2-CHCl-)]n.
Слайд №2. Записать определения полимера, мономера, степени полимеризации,
структурного звена и молекулярной массы полимера.
Полимер - ВМС, содержащий в составе многократно повторяющиеся группы атомов.
Мономер - низкомолекулярное вещество, из которого синтезирован полимер.
Структурное звено - многократно повторяющиеся группы атомов.
Степень полимеризации - число молекул мономера, соединённых в полимер.
Средняя
молекулярная
масса
полимера
рассчитывается
по
формуле:
Мполимера= Ммономера*n, где n- степень полимеризации.
Первичное закрепление.
- В чем особенность понятия «молекулярная масса полимеров»?
- Как объяснить отсутствие летучести у ВМС, вязкость их растворов?
3. Способы получения (синтез) полимеров.
Реакции синтеза высокомолекулярных веществ частично известна обучающимся из
курса органической химии 10 класса. Возвращаясь к известному – к реакции
полимеризации еще раз обращаем внимание на содержание в молекулах исходных
веществ наличие двойной связи (класса алкенов или алкадиенов).
Проблема: случайно ли это? Обсуждая приходим к выводу: для образования
высокомолекулярного вещества необходимо чтобы каждая молекула мономера могла
присоединиться к растущей молекуле и присоединить к себе следующую молекулу.
Необходимые для этого две валентности может иметь вещество с двойной связью в
молекуле, когда одна из этих связей (π- связь) может разорваться.
ВМС образуются в результате полимеризации.
Слайд №3, Слайд №4
Есть два типа химических реакций, приводящих к превращению мономеров в полимеры:
поликонденсация и полимеризация. Они отличаются химическим строением мономеров,
закономерностями протекания процесса и, как правило, свойствами получаемых
продуктов
Запись в тетрадь.
Полимеризация – это процесс образования полимеров из мономеров. Существует две
разновидности полимеризации –
•
полиприсоединение
•
поликонденсация.
Полиприсоединение – процесс, в результате которого молекулы
связываются друг с другом путем присоединения за счет кратных связей.
мономеров
Механизмыполимеризации:
А)радикальный
Б) ионный
Слайд№ 5.
Пример: СН2 = СН2 + n СН2 = СН2 = (-СН2- СН2-СН2-СН2-СН2-)n - полиэтилен
Характерные особенности полимеризации в том, что прежде всего вступают в
нее только мономеры, содержащие в молекуле двойную связь C=C, C=N или C=O,
тройную связь либо циклическую группировку, способную раскрываться. Для того чтобы
мономер вступил в реакцию полимеризации, к нему надо добавить (или создать в его
среде) инициирующий активный центр: свободный радикал, активный ион или активный
координационный комплекс. И наконец, еще одна специфическая особенность реакций
полимеризации состоит в том, что присоединение молекул мономера к активному центру
происходит медленнее, чем последующее наращивание полимерной цепи присоединением
молекул мономера друг к другу.
В результате после введения активных центров в массу мономера, прервав реакцию
в любой момент, можно найти там большее или меньшее количество
непрореагировавшего мономера и какое-то количество высокомолекулярного полимера.
Выделить из такой смеси ди-, три-, тетрамеры и прочие промежуточные продукты
полимеризации обычно невозможно их нет. Такие процессы называются цепными
реакциями.
Хотя впервые полимеризация была описана еще в XIX в. как побочный процесс
смолообразования при выделении некоторых органических веществ (стирола,
формальдегида и др.), теоретическое объяснение ее механизма стало возможно лишь в 30х. гг. нашего столетия, на основе созданной советским академиком Н.Н.Семеновым и
английским ученым С.Хиншелвудом теории цепных процессов.
При обсуждении механизма свободнорадикальной полимеризации необходимо
обратить внимание на три обстоятельства:
а) при полимеризации молекулы мономера не сразу соединяются в макромолекулу, а
последовательно одна за другой, при этом растущая цепь все время оказывается
свободным радикалом;
б) реакцию полимеризации проводят в присутствии инициатора или катализатора.
Инициатор – это вещество, образующее свободные радикалы, с которых начинается рост
цепи; он отличается от катализатора тем, что расходуется в процессе реакции, т.к. входит
в состав концевых групп макромолекул;
в) рост цепи может прекратиться от действия различных причин, например, при
столкновении двух растущих радикалов или растущего радикала с инициатором.
Слайд №6.
Реакция поликонденсации - процесс образования высокомолекулярных веществ из
низкомолекулярного вещества, идущий с отщеплением побочного низкомолекулярного
продукта (обычно воды).
Для поликонденсации необходимы мономеры, содержащие в каждой молекуле не менее
двух реакционно-способных групп, например гликоли HOROH, аминокислоты H2NRCOOH,
диизоцианаты и т.д. Сам ход процесса поликонденсации многостадийный. Одна активная
группа одной молекулы мономера реагирует с одной группой другой молекулы
образуется димер опять с двумя активными группами. Например, химический синтез
полиэфирного волокна лавсана из терефталевой кислоты и этиленгликоля начинается с
такой реакции:
HOCH2 -CH2 OH + HOOC C6 H4 COOH > HOCH2 CH2OOC C6 H4 COOH + H2 O
Димер реагирует далее с мономером или с димером, давая тример или тетрамер, и
т.д. Иногда при таких процессах выделяются низкомолекулярные продукты (вода, аммиак
и т.д.), иногда нет. Прежде выделение побочных низкомолекулярных веществ считали
обязательным признаком реакции поликонденсации, но синтез высокомолекулярных
соединений полиуретанов показывает, что этот признак совсем не обязательный:
Если реакцию вести достаточно долго, то теоретически все молекулы, находящиеся
в реакционной среде, должны сконденсироваться в одну сверхгигантскую макромолекулу.
В действительности так не происходит. Рост молекул прекращается значительно раньше.
Причины различные: небольшой избыток одного мономера, наличие примесей,
повышение вязкости среды и т.д. Немаловажную роль играет и то, что многие реакции
поликонденсации обратимы.
Проходя через стадии ди-, три-, тетрамеров и т.д., молекулярная масса продукта
нарастает медленно, и высокомолекулярные соединения полимеров обычно образуются
лишь к концу процесса, при общем превращении 95-99% мономеров. Но зато химики
могут приостановить процесс на промежуточной стадии и сформовать изделие сначала из
легкоплавких олигомеров, а затем довести реакцию поликонденсации до конца и получить
прочный, теплостойкий и нерастворимый продукт (особенно если в синтезе участвуют
мономеры с тремя и более функциональными группами). Эта особенность
поликонденсации широко используется в промышленности, например при синтезе и
формовании пенополиуретанов, фенолформальдегидных смол и других материалов, на
основе которых получают пластические массы, и т.п.
Первичное закрепление:
1. привести пример образование белка из аминокислот по схеме:
Глицин-Глицин –Глицин или Глицин-Аланин-Глицин
(n NH2-CH2-COOH -катализатор-- (-NH-CH2-CO-)n + n Н2О)
2. - Какими признаками должны характеризоваться вещества, вступающие в:
а) в реакцию полимеризации;
б) в реакцию поликонденсации?
4. Классификация полимеров (по различным признакам).
Слайд № 7, 8, 9, 10,11,12,13
Работа с учебником.
Рассмотреть общую схему классификации полимеров по различным признакам и
сравнить её с таблицей учебника (Органическая химия О.С. Габриелян с.(89,или 99).
К полимерам относятся многочисленные природные соединения: белки, нуклеиновые
кислоты, целлюлоза, крахмал, каучук и другие органические вещества. Большое число
ВМС получают синтетическим путем на основе простейших соединений и элементов
нефтяного, углехимического, лесохимического и минерального происхождения в
результате реакций полимеризации, поликонденсации и химических превращений одних
полимеров (природных и синтетических) в другие. Особую группу составляют
неорганические полимеры (пластичная сера, силикаты и др.).
Слайд №7, Слайд №8
Классификация полимеров по происхождению:
а) природные полимеры животного и растительного происхождения (белки их
структура, полисахариды, ДНК, РНК , нуклеиновые кислоты, каучук, лен, хлопок пенька и
др.).
Минеральные – сера, белый, красный фосфор, селен, теллур, вода, асбест, который
называют «№горный лен» Демонстрация этих полимеров.
б) искусственные полимеры (вискоза, ацетатное волокно). Демонстрация этих волокон.
в) синтетические полимеры (каучуки, синтетические
волокна
пластмассы).
Демонстрация коллекции каучуков.
Слайд №9. Классификация по структуре макромолекулы (схемы полимеров):
а) линейные;
б) разветвлённое;
в) пространственное.
Слайд №10.
В зависимости от строения основной цепи ВМС делятся на линейные,
разветвленные и трехмерные (пространственные) структуры. Линейные и разветвленные
цепи можно превратить в трехмерные действием химических агентов, света и радиации, а
также путем "сшивания" (вулканизации).
В качестве примеров можно привести вулканизацию каучука, отвердение
фенолформальдегидных, эпоксидных и полиэфирных смол, образование прочных пленок
и покрытий из высыхающих масел, природных смол, эпоксидов и др.
Линейные ВМС могут иметь как кристаллическую, так и аморфную
(стеклообразную) структуру. Разветвленные и трехмерные полимеры, как правило,
являются аморфными. При нагревании они переходят в высокоэластическое состояние
подобно каучуку, резине и другим эластомерам. При действии особо высоких температур,
окислителей, кислот и щелочей органические и элементоорганические ВМС подвергаются
постепенному разложению, образуя газообразные, жидкие и твердые (коксы) соединения.
Физико-механические свойства линейных и разветвленных полимеров во многом
связаны с межмолекулярным взаимодействием за счет сил побочных валентностей. Так,
например, молекулы целлюлозы взаимодействуют между собой по всей длине молекул, и
это явление обеспечивает высокую прочность целлюлозных волокон. А разветвленные
молекулы крахмала взаимодействуют лишь отдельными участками, поэтому не способны
образовывать прочные волокна. Особенно прочные волокна дают многие синтетические
полимеры (полиамиды, полиэфиры, полипропилен и др.), линейные молекулы которых
расположены вдоль оси растяжения.
Трехмерные структуры могут лишь временно деформироваться при растяжении,
если они имеют сравнительно редкую сетку (подобно резине), а при наличии густой
пространственной сетки они бывают упругими или хрупкими в зависимости от строения.
ВМС делятся на две большие группы: гомоцепные, если цепь состоит из одинаковых
атомов (в том числе карбоцепные, состоящие только из углеродных атомов), и
гетероцепные, когда цепь включает атомы разных элементов. Внутри этих групп
полимеры подразделяются на классы в соответствии с принятыми в химической науке
принципами.
Так, если в основную или боковые цепи входят металлы, сера, фосфор, кремний и
др., полимеры относят к элементоорганическим соединениям.
Изучение ВМС началось лишь в XIX в., а принципы их строения были установлены
в 20-30-х. гг. XX в. В 1920 г. немецкий ученый Г.Штаудингер, основываясь на теории
химического строения органических веществ, высказал гипотезу о "макромолекулярном"
строении полимеров и связал с этим их физико-химические свойства (например, вязкость
растворов). В дальнейшем разработка этой гипотезы привела к созданию теории строения
макромолекул, на основе которой стал производиться синтез все новых и новых классов
полимеров с заданными свойствами.
Развитию теории строения полимеров способствовали труды С.В.Лебедева,
П.П.Шорыгина, С.С.Медведева, В.А.Каргина, В.В.Коршака, У.Карозерса, П.Флори,
Г.Марка и многих других ученых разных стран.
Слайд №11
Классификация по пространственному строению:
а) Стереорегулярные – мономеры построены из звеньев одинаковой пространственной
конфигурации, или звеньев разной пространственной конфигурации, но чередующихся в
цепи с определенной периодичностью;
б)нестереорегулярные (атактические) – с произвольным чередованием звеньев разной
пространственной конфигурации.
Необычным для обучающихся оказывается материал о кристаллической и
аморфной структуре полимеров. Понятие
о кристалличности у них связано с
представлением о кристаллической решетке и наличие в в их узлах атомов, ионов или
молекул. В полимерах картина иная. Основной смысл кристалличности (как и в
неорганических веществах) в порядочности взаимного расположения частиц. Строго
упорядоченное расположение относительно
больших по размерам макромолекул
затруднительно. Обычно это достигается лишь на их отдельных участках, на других
участках макромолекулы относительно друг друга оказываются расположенными
беспорядочно. Поэтому одни и те же макромолекулы полимера проходят через
кристаллические и аморфные области. Степень кристалличности полимеров достигает
90% и выше. Но она может меняться у одного и того же полимера.
Вопрос классу. Что может способствовать росту кристалличности?
Ответ. Вытягивание полимера
.
Слайд №12, Слайд №13, 14
Классификация полимеров по отношению к нагреванию по физическим свойствам
(демонстрация опыта по расплавлению полимера):
а) термопластичные полимеры (термопластами) -при нагревании размягчаются, а при
охлаждении занимает определённую форму.
К их числу относятся такие известные пластики, как полиэтилен, полистирол, полиамиды
и поликарбонаты.
б) термореактивные полимеры -при нагревании размягчаются, а затем становятся
неплавкие и нерастворимые.
В процессе формования изделия происходит сшивка макромолекул и полимер,
твердея, приобретает сетчатое строение, то такую пластмассу уже нельзя возвратить в
вязкотекучее состояние нагреванием или растворением. Эти пластмассы называются
термореактивными
(реактопластами).
Среди
них
пластики
на
основе
фенолформальдегидных, алкидных, эпоксидных смол.
Фотопроводимость – способность проводить электрический ток при освещении.
Пьезоэлектрические –генерация электрического разряда
5. Свойства полимеров
Слайд № 14,15,16.
По химическому составу
а) гомополимеры – в главную цепь входят одинаковые мономерные звенья (полиэтилен,
полипропилен);
А +А +А +… = -(А-)n - гомополимеризация
б) гетерополимеры или сополимеры – содержат разные мономерные звенья
А +В –А +В +… = (-А-В-)n (этилен-пропилен).
Практическая работа.
Определение свойств полиэтилена
Практическая работа. Что делали?
Наблюдения Что получили?
Кусочек полиэтилена опускаем в емкость с полиэтилен легче воды
водой.
не растворяется в воде
отношение полиэтилена к кислотам
устойчив
отношение полиэтилена к щелочам
устойчив
нагревание
плавится, меняет форму
Вопрос классу: почему полимеры, вещества с ковалентной связью, оказываются
прочными, устойчивыми к агрессивным средам , к коррозии, прочны, обладают
отличными оптическими свойствами?
ДЕЛАЕМ ВЫВОД:
Знание строения полимеров позволяет перейти к выяснению их общих свойств.
Главное – в уяснении взаимодействия между макромолекулами. Отдельные звенья
разных молекул притягиваются к друг другу с небольшой силой, она в десятки раз слабее
обычных сил химического взаимодействия. Но так как притяжение устанавливается
между большим числом звеньев, оно оказывается очень сильным. Природа
межмолекулярного взаимодействия может быть различна. Здесь присутствуют силы Вандер-Ваальса, притяжение различных полярных групп и т.д. Все эти причинноследственные связи будут конкретизированы при рассмотрении отдельных
представителей пластмасс, волокон и каучуков (резины).
Характеристика строения полимеров завершается обсуждением понятия
«молекулярная масса». Важно чтобы обучающиеся поняли, почему здесь может идти речь
лишь о средней молекулярной массе, и ответили на вопрос, является ли в связи с этим
степень полимеризации величиной постоянной для всех макромолекул полимера.
Следовательно схема состав строение свойства целиком и полностью
подтверждает существование многообразие полимеров, их широкого применения, а это
еще шире откроет перспективы получения новых материалов, которые успешно будет
использовать человек в своей жизни.
6. Применение полимеров.
Отработка понятий «пластмасса», «волокна»
Пластмасса =
ВМС + наполнители, красители, вещества, повышающие
термостойкость, механическую прочность, устойчивость к старению.
Знакомство с коллекцией пластмасс.
Потребители пластмасс
- строительная индустрия, машиностроение,
электротехника, транспорт, производство упаковочных материалов, товаров народного
потребления.
Волокно = ВМС линейного строения
Волокна различают:
а) природные:
-растительного происхождения;
- животного происхождения;
б) химические:
- искусственные - получают из природных полимеров линейного строения или продуктов
их переработки, главным образом из целлюлозы и ее эфиров (вискозное, ацетатное и др.)
- синтетические. – получают из синтетических полимеров (капрон, лавсан, энант, найлон и
др.)
Знакомство с коллекцией «Волокна»
Знакомство с некоторыми полимерами
Слайд № 15-26
Полиметилметакрилат (ПММА) легко перерабатывается в различные изделия
формованием или литьем под давлением. Один из наиболее термостойких. Технологи
назвали его органическим стеклом (оргстеклом или плексигласом). Прочность
превосходит обычное стекло в десятки раз, хорошо пропускает УФ-лучи, необходимые
для растений. Однако оно менее твердое, чем обычное (легко царапается) и менее
химически стойкое. Применяется в военной технике, авиации, различных измерительных
приборах, часовых механизмах, в изготовлении светильников, реклам, дорожных знаков,
безосколочного стекла – «триплекса», зубных протезов и контактных линз.
Поливинилфторид (ПВДФ)- пьезоэлектрик; при изгибе или скручивании на нём
возникает электрический заряд. При действии звуковой волны пленка из ПВДФ
генерирует электрический сигнал, и, таким образом, с её помощью можно детектировать
звук. Наоборот, переменный электрический сигнал, приложенный к мембране из этого
полимера, вызывает её колебания, и такое устройство может работать как
громкоговоритель.
Тефлон впервые полученный в 1938 г безразличен к действию любых
растворителей и имеет необычно высокую температуру размягчения (3270С),не горит, на
него не действуют концентрированные кислоты и щелочи, устойчив к воздействию
галогенов, «царской водки», плавиковой кислоте. За необычайную химическую стойкость
это белое легкое вещество иногда называют пластмассовой платиной.
Он не заменим при изготовлении химической аппаратуры для агрессивных сред,
негорючей электроизоляции, а также подшипников и деталей, не требующих смазки.
Тефлоновой пленкой покрывают металлическую посуду и поверхность утюгов.
Кевлар – ароматический полиамид, полученный из 3-аминобензойной кислоты.
Волокна из кевлара огнестойкие, обладают высокой прочностью и гибкостью. Кевлар
имеет небольшую плотность. Одним из первых применений кевлара была замена
стального корда в автомобильных шинах: шины с кевларовым кордом получаются легче и
долговечнее. Канаты из кевлара в 20 раз прочнее стальных при одинаковом весе. Жесткие
конструкции из кевлара использутся при изготовлении крыльев самолетов, где важно
сочетание прочности и легкости. Этот материал идеален для изготовления
пуленепробиваемых жилетов и курток для фехтовальщиков.
PEEK – полиэфирэфиркетон, наиболее распространенный полимер с изначальной
высокой огнестойкостью.
PEEK – линейный, ароматический и полукристаллический полимер – может быть
использован при температурах до 260°C, во время горения PEEK выбрасывает очень мало
дыма и токсичных газов. PEEK обычно смешивают с другими полимерами, заполняют
стеклом или углеродом. Он применяется для изготовления формованных деталей для
автомобильной, аэрокосмической, медицинской, электронной промышленности, а также
отрасли химической обработки. PEEK вытесняет металлы из многих отраслей
производства компонентов, устанавливаемых под капотом автомобиля, например
двигателей, подшипников и компонентов силовых цепей.
PPS - полукристаллический материал, состоящий из перемежающихся звеньев:
атомов серы и колец фенилена. Эта конструкция придает полимеру исключительную
температурную и химическую устойчивость. Его рабочая температура может повышаться
до 200°C. PPS имеет склонность к обугливанию во время горения, что задерживает
распространение пламени. PPS обладает высоким модулем и сопротивлением ползучести,
а также очень высокой химической инертностью.
Тактел – модифицированный найлон. Ткани из этого волокна мягкие и по текстуре
напоминают хлопок, водостойки, «дышат». Из него изготавливается очень тонкая пряжа,
которая пропускает водяные пары, но не пропускает конденсированную влагу, то есть
впитывает пот, но непромокаемаяснаружи. Такая ткань идеально подходит для
изготовления легких плащей и лыжных костюмов.
Полиэтилен. Этот полимер получают с помощью разных технологических
процессов. Полиэтилен низкой плотности с относительно молекулярной массой меньше
300 000 получают при помощи процесса высокого давления. Он используется для
изготовления разнообразного упаковочного материала, заменителей стеклянной тары,
пакетов для пищевых продуктов и одежды и многих других изделий.
Полиэтилен Полиэтилен высокой плотности, который имеет относительную
молекулярную массу до 3000000 г., получают с помощью процесса Циглера
(Катализаторы, примененные Циглером, были получены в процессе его работы с
алюмоорганическими соединениями; первыми из них, давшими положительные
результаты, были комбинации триэтилалюминия и производных титана, таких как
тетрахлорид титана). Он используют для изготовления более жестких изделий, например
формочек для получения льда в домашних холодильниках или решетчатых корзин для
перевозки молочных продуктов.
Полиацетилен и пролипиррол
В этих полимерах чередуются двойные и одинарные связи, создавая систему
сопряженных связей; делокализация распространяется вдоль всей полимерной цепи.
При восстановлении или окислении полимера электроны (или положительно заряженные
«дырки») могут перемещаться вдоль полимерной цепи по делокализованной системе
подобно току по проводам.
Используются для электрических проводов в авиации и в небольших аккумуляторах.
В последнее время тонкую пленку из них стали применять для упаковки чувствительных
электронных компонентов с целью устранения действия электростатического заряда.
Поливинилкарбозол Замечательное свойство этого полимера состоит в том, что
это соединение проявляет фотопроводимость, т.е. при освещении проводит электрический
ток лучше, чем в темноте. Его используют в фотокопировальных устройствах в качестве
фоторецепторного слоя.
7. Проблемы при использовании полимеров … и пути их решения.
Слайд №27, Слайд №28
Большинство пластмасс не разрушаются в окружающей среде, так как живые организмы –
деструкторы (грибы и бактерии) не имеют ферментов, необходимых для их разрушения.
Обсуждение путей переработки пластиковых изделий, используемых человеком.
Оформляем предположения высказанные учениками в виде следующих
направлений изготовления пластиков:
Известны 2 вида разрушающихся пластмасс:
а)Биополимеры -это высокомолекулярные соединения, которые производятся живыми
организмами и которые деструкторы способны разлагать
б) Синтетические пластики, специально разработанные так, что они могут разрушаться
в природных условиях. Такие пластики бывают, в основном, трех типов:
фоторазрушающиеся (разрушающиеся на свету)
синтетические
биоразрушающиеся пластики, подверженные действию бактерий
растворимые пластики - растворяются в воде.
Знакомство с уже полученными видами разрушающихся пластмасс.
Слайд № 29-333, Слайд №34
Полигидроксибутаноаты (торговое название биопол) – это природные
полиэфиры, вырабатываемые некоторыми бактериями и используемые ими как источник
энергии. Микроорганизмы, находящиеся в почве, внутренних водоемах, в океане
способны разрушать эти полимеры. Полное разрушение обычно происходит в течение 9
месяцев. Однако, производство таких полимеров почти в 15 раз дороже, чем полиэтилена.
Разнообразные организмы-эндофиты — бактерии и грибы, живут внутри растений
на симбиотической основе. Найдены
эндофитные грибы Pestalotiopsis microspora
способные разлагать пластик и полиуретановые соединения в аэробных и в анаэробных
условиях, то есть без доступа кислорода. Исследователи сумели выделить фермент из
класса сериновых гидролаз, отвечающий у гриба за эту операцию. Способность разрушать
полиуретаны в бескислородных условиях делает обнаруженный гриб особенно
перспективным в борьбе с пластиковым мусором: можно оставить Pestalotiopsis
microspora наедине с кучей пластика и не беспокоиться насчёт притока воздуха для
эффективного разложения
Растворимые пластиковые пакеты изготавливают из поливинилового спирта
(ПВС). Это новый полимер, получаемый гидролизом или алкаголизом (чаще
метанолизом) из другого полимера, поливинилацетата. Протекание реакции можно
контролировать, изменяя температуру или время реакции. Растворимость образующегося
полимера зависит от содержания кислотных групп, которые удаляются в реакции. Область
применения такого полимера определяется величиной его растворимости. Из них
изготавливают хирургические нити для наложения швов. Каждый раз хирург определяет,
насколько быстро должны они растворяться, и выбирает соответствующую марку нити из
ПВС.
Фоторазрушающиеся - если внедрить в полимер в качестве энергетических
ловушек карбонильные группы С=О, поглощающие излучение в диапазоне длин волн 270360 нм (частота 1015 Гц), что соответствует ближней ультрафиолетовой области
солнечного спектра, то поглощение энергии приведет к разрыву соединений с
карбонильной группой связей, и полимер может распасться на фрагменты, которые будут
подвержены биоразрушению.
Синтетические биоразрушающиеся пластики.
Некоторые пластиковые мешки изготовлены из полиэтилена, в который внедрены
гранулы крахмала. Когда мешок выбрасывают, имеющиеся в почве организмы, поедают
крахмал. В результате мешок разваливается на очень малые куски полиэтилена,
биодеградация которых происходит более быстро.
Проблема отходов полимеров…
Ее решать нам.
Так что, может быть, нам следует уже сейчас собирать пластиковые отходы
отдельно от других, с тем, чтобы будущие поколения имели ресурсы, которые можно
было бы использовать для превращения отработанных пластиков в другие нужные
материалы?
Перспективы развития полимеров
Границы возможного развития пластмасс еще не обозначены, поэтому вопрос об их
работоспособности не может быть поставлен так узко, чтобы, например, центром
внимания делать только прочностные и деформационные характеристики. Эффективность
материала в значительной мере измеряется экономией, которую он дает на любой стадии,
будь то производство, переработка в изделие, транспортировка и т.д. Однако для такой
оценки еще не достает объективных критериев, распространяющихся на все области
выбора и применения материала.
Будущее, прежде всего зависит от того, насколько оптимально станут использовать
разработанные к настоящему времени полимеры с их спектром свойств и технологических
преимуществ, которыми они обладают по сравнению с традиционными металлическими
конструкционными материалами.
Если включить в рассмотрение космическую технику, то температурная область
эксплуатации значительно расширяется. Некоторые пластмассы уже обеспечивают
работоспособность при температуре до 1000°С, хотя и на очень короткий срок.
Разработка полимеров с гетероатомами, например борсодержащих фенольных смол, а
также фторуглеродных и силиконовых композиций, показала значительные перспективы
полимеров по повышению термостойкости. Накопленные здесь знания в будущем также
станут достоянием других областей техники.
Пластмассы, армированные кварцевыми и углеродными волокнами, нитевидными
кристаллами обладают высокой прочностью в области повышенных температур. Однако
они еще не внедрены широко в производственную практику. Это является задачей
ближайшего десятилетия.
Домашнее задание: учить лекцию и §9 учебника.
Индивидуальные задания:
1. Решение задачи.
Вычислите степень полимеризации полиэтилена, имеющего молекулярную массу равную
130000 г.
2. Запишите уравнение реакции получения капрона из 6-аминогексановой кислоты.
3. Запишите уравнение реакции получения изопренового каучука из 2-метилбутадиена 1,3.
