новая папка 2 / 45429

Рассмотрены и рекомендованы к изданию учебно-методической комиссией

факультета химической технологии и биотехнологии Санкт-Петербургского государственного лесотехнического университета 25 апреля 2012 г.

С о с т а в и т е л ь кандидат технических наук, профессор И. А. Гамова

Р е ц е н з е н т

кафедра технологии древесных композиционных материалов СПбГЛТУ

Химия синтетических полимеров: методические указания, ра-

бочая программа и контрольные задания для студентов заочной формы обучения направления 240100 «Химическая технология» факультета химической технологии и биотехнологии / сост. И. А. Гамова. – СПб.: СПбГЛТУ, 2012. – 12 с.

В методических указаниях представлены рабочая программа курса «Химия синтетических полимеров» и контрольные задания для студентов заочного отделения направления 240100 «Химическая технология» факультета химической технологии и биотехнологии. Приведены краткие сведения о полимерах, олигомерах и полимерных материалах, применяемых при изготовлении древесных композиционных материалов и отделке древесных плит. Даны общие указания по выполнению контрольных работ, приведѐн список рекомендуемой для изучения курса литературы.

Темплан 2012 г. Изд. № 191.

2

нение. Древесные композиционные материалы. Требования к связующим веществам, применяемым при изготовлении древесных пластиков и плит.

Т е м а 2. Полимеры, получаемые реакцией поликонденсации

Закономерность синтеза и отверждения фенолоформальдегидных смол, технологическая схема синтеза, свойства и применение фенолоформальдегидных смол. Закономерности синтеза и отверждения карбамидоформальдегидных смол, технологическая схема производства, свойства и применение. Закономерности синтеза и отверждение меламиноформальдегидных смол, свойства и применение. Получение, свойства, применение полиамидов, полиуретанов, полиэфиров, полиэпоксидов.

Применение олигомеров и полимеров, получаемых поликонденсацией, в производстве древесных композиционных материалов и отделке древесных плит.

Т е м а 3. Полимеры, получаемые реакцией полимеризации

Получение, свойства и применение полиэтилена, полипропилена, полистирола, поливинилхлорида, фторсодержащих; акриловых полимеров; полимеров винилового спирта и его производных.

Применение полимеров, получаемых реакцией полимеризации, в производстве древесных композиционных материалов и отделке древесных плит.

ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ

Основной формой работы студентов заочной формы обучения является самостоятельная работа с технической литературой.

Для закрепления знаний следует составить конспект, в котором необходимо кратко изложить содержание тем, руководствуясь программой курса. На лекциях во время сессии рассматриваются лишь наиболее важные и сложные разделы курса, а также вопросы, недостаточно освещѐнные

вдоступной литературе.

Впроцессе проработки материала по настоящему курсу студент должен самостоятельно выполнить по указанию преподавателя одну контрольную работу из пяти предлагаемых методическими указаниями и сдать на проверку до сессии. В каждой контрольной работе один вопрос посвящѐн олигомерам и полимерам, получаемым реакцией поликонденсации, другой – реакцией полимеризации.

При написании ответа обратить внимание на применение данного полимера или олигомера в технологии ДКМ, а также при осуществлении химической переработки древесины.

Во время сессии предусматривается выполнение лабораторного практикума и сдача зачѐта по теоретической части.

4

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ПОЛИМЕРАХ, ОЛИГОМЕРАХ

ИПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛАХ

Вкурсе «Химия синтетических полимеров» изучаются наиболее употребляемые в настоящее время в технологии древесных композиционных материалов полимеры и олигомеры.

П о л и м е р ы – это высокомолекулярные соединения, состоящие из многократно повторяющихся одинаковых группировок, соединѐнных в молекулы химическими связями. Масса их молекул доходит до десятков и сотен тысяч атомных единиц, а у такого природного полимера, каким является целлюлоза, до 1…2 млн А.Е. Высокая молекулярная масса и физическое взаимодействие между макромолекулами полимеров определяют области применения и особенности их переработки в изделия.

Синтез высокомолекулярных соединений осуществляют по реакциям полимеризации, поликонденсации и полимераналогичных превращений. Для образования полимеров используют низкомолекулярные соединения, которые имеют две или более функциональные группы, кратные связи или неустойчивые циклы.

Поликонденсация (конденсационная полимеризация) – это процесс образования олигомеров и полимеров из би- и полифункциональных соединений в результате взаимодействия функциональных групп или активных атомов, сопровождающийся выделением низкомолекулярных побочных продуктов реакции (воды, аммиака, этанола и других соединений). Часто проводят совместную поликонденсацию смеси исходных соединений с целью получения олиго- и полимеров с новыми свойствами.

При взаимодействии бифункциональных соединений образуются макромолекулы линейного строения, а процесс их образования называется линейной поликонденсацией. Если же в синтезе участвует одно из соединений, имеющее функциональность более двух, то образуются разветвленные или сшитые макромолекулы. Полимеры, макромолекулы которых соединены химическими связями в единую пространственную сетку, называются сшитыми. Образование таких структур происходит в результате химических процессов при наличии в их структуре реакционноспособных функциональных групп. Процесс, приводящий к таким структурам, назы-

вается трехмерной поликонденсацией.

По реакции поликонденсации образуются такие олигомеры и полимеры, как полиэфиры, полиамиды, феноло-, карбамидо- и меламиноформальдегидные смолы.

Взависимости от природы исходных веществ реакции поликонденсации проводят в расплаве, в растворе, в эмульсии, на границе раздела фаз. Каждый способ имеет свои особенности и аппаратурное оформление.

5

Полимеризация это процесс образования полимеров в результате присоединения одного или нескольких мономеров к растущему активному центру; этот процесс не сопровождается выделением низкомолекулярных побочных продуктов. В качестве исходных веществ в реакции полимеризации используются мономеры, имеющие ненасыщенные связи, неустойчивые циклы и т. п.

Одним из наиболее распространенных методов синтеза полимеров является цепная полимеризация. По цепному механизму процесс протекает с раскрытием двойной (или тройной) связи или неустойчивого цикла и образованием полимера, элементарный состав которого не отличается от элементарного состава мономера.

Совместная полимеризация двух или нескольких мономеров (сополимеризация) позволяет получать полимеры с желаемыми свойствами. Например, широко распространены сополимер этилена с винилацетатом (СЭВА), сополимер этилена с пропиленом (СЭП), или тройной сополимер акрилонитрила, бутадиена и стирола (АБС).

В зависимости от характера активного центра различают ионную и радикальную полимеризации. Радикальная полимеризация может быть осуществлена различными способами. Полимеризация в блоке (или в массе) осуществляется в среде мономера; эмульсионная (или латексная) полимеризация и суспензионная полимеризация (называемая также гранульной или бисерной) – в водной среде; а также осуществляют полимеризацию в растворе.

У каждого из этих способов имеются свои преимущества и недостатки; его выбирают в зависимости от требований, предъявляемым к свойствам готового полимера.

О л и г о м е р ы – это промежуточные между мономерами и полимерами продукты, обладающие определѐнными свойствами. Их называют смолами в том случае, когда они содержат реакционноспособные группы, способные к дальнейшим превращениям. Синтез смол, применяемых в композициях пластических масс, клеѐв или лакокрасочных материалов, а также в древесных композиционных материалах в качестве связующих веществ, осуществляют в подавляющем большинстве по реакции поликонденсации. При этом останавливают процесс на определѐнной стадии в зависимости от области применения олигомера.

Смолы имеют следующие основные признаки: сравнительно невысокую молекулярную массу (500…2000); растворимость в подходящем растворителе; адгезию к определѐнным субстратам; термореактивность (способность в определѐнных условиях переходить в неплавкое и нерастворимое состояние).

Полимеры в зависимости от поведения при нагревании делятся на термопластичные (термопласты) и термореактивные (реактопласты).

6

Термопластичные полимеры (термопласты) при нагревании размягчаются, затем плавятся. Чтобы перевести термопласт в твѐрдое состояние, его необходимо охладить. Термопласты сохраняют способность размягчаться и плавиться при последующем нагревании, так как изменение их физического состояния не сопровождается химическими реакциями и изменением структуры полимера. К термопластичным полимерам относятся, например, полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид, поливинилацетат, полиакрилаты и другие полимеры.

Термореактивные олиго- и полимеры (реактопласты) при нагрева-

нии также размягчаются и плавятся, но при определѐнной для данного материала температуре происходит изменение их молекулярной структуры в результате образования между макромолекулами химических связей (сшивок). Этот процесс, называемый отверждением, является необратимым. В результате образуется неплавкий и нерастворимый полимер с пространственным строением макромолекул.

Пространственно-сетчатый полимер может образоваться и без нагревания под влиянием сшивающих агентов, катализаторов и облучения. Отверждаются при нагревании и без нагревания, например, карбамидо-, феноло- и меламиноформальдегидные смолы, эпоксидные смолы, некоторые полиэфиры и полиуретаны.

Комплекс наиболее ценных физико-химических свойств олигомеров и полимеров (растворимость, температура плавления и стеклования, молекулярная масса, наличие функциональных групп и другие свойства), а также доступность сырья и экономические аспекты, определяют их применение в различных классах полимерных материалов.

Полимерные материалы – это сложные композиционные составы, которые наравне с олигомером или полимером содержат вспомогательные компоненты (ингредиенты). К таким компонентам, придающим определѐнные и заранее заданные свойства, необходимые для эксплуатации и переработки получаемых материалов, относятся наполнители, пластификаторы, стабилизаторы, отвердители, красители и другие. Массовая доля компонентов может изменяться в широких пределах – от долей до десятков процентов от массы полимера. К полимерным материалам относятся

пластические массы, волокна, резиновые смеси, лакокрасочные материалы и клеи.

Особая группа материалов, не относящаяся к полимерным материалам, но для изготовления которых необходимо применение синтетических связующих веществ, – древесные композиционные материалы. Содер-

жание древесного наполнителя в этих материалах значительно превосходит содержание смолы, исполняющей роль связывающего вещества. Это

7

древесностружечные, древесноволокнистые плиты, древесные слоистые и бумажнослоистые пластики, древесные прессмассы.

Современные высокотехнологичные методы отделки древесных плит бумажно-смоляными плѐнками и термопластичными пластмассовыми плѐнками, искусственными кожами требуют знаний свойств полимерной основы этих материалов.

Перед выполнением конкретной работы необходимо дать определение реакции получения олигомера или полимера. Описать свойства и применение. Начертить одну из схем синтеза. Обратить внимание на применение данного олигомера или полимера в технологии ДКМ, а также при осуществлении технологических режимов химической переработки древесины.

КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ

Ко н т р о л ь н а я р а б о т а № 1

1.Фенолоформальдегидные смолы

Написать схемы реакций синтеза и отверждения резольной фенолоформальдегидной смолы (ФФС). Нарисовать схему производства ФФС и дать еѐ описание. Свойства ФФС, их модифицирование и применение. Указать наиболее распространѐнные марки ФФС, применяемые в производстве ДКМ в качестве связующих веществ. Свойства, которые обеспечивают ФФС древесным плитам, древесным слоистым и декоративным бумажнослоистым пластикам, древесным пресс-массам.

2. Полиэтилен и полипропилен

Особенности производства полиэтилена (ПЭ): получение ПЭ низкой плотности (ПЭНП) и высокой плотности (ПЭВП). Свойства и применение ПЭ и его сополимеров, в том числе в производстве ДКМ.

Получение, свойства и применение полипропилена (ПП). Применение

ППв технологии отделки ДКМ.

Ко н т р о л ь н а я р а б о т а № 2

1. Карбамидоформальдегидные смолы

Написать схемы реакций синтеза и отверждения карбамидоформальдегидных смол (КФС). Нарисовать одну из схем производства КФС и дать еѐ описание. Свойства КФС, их модифицирование и применение. Наиболее распространѐнные марки КФС, применяемые в качестве связующих веществ ДКМ.

8

2. Полистирол

Получение и свойства полистирола (ПС). Влияние метода получения на свойства полимера. Применение ПС и сополимеров стирола, в том числе в отделке древесных плит.

Ко н т р о л ь н а я р а б о т а № 3

1.Меламиноформальдегидные смолы

Написать схемы реакций синтеза и отверждения меламиноформальдегидных смол (МлФС). Нарисовать схему производства МлФС и дать еѐ описание. Свойства и применение МлФС. Наиболее распространѐнные марки МлФС, применяемые в производстве декоративных бумажнослоистых пластиков и декоративных плѐнок.

2. Поливинилхлорид и фторопласты

Получение, виды и свойства поливинилхлорида (ПВХ). Применение ПВХ и сополимеров винилхлорида в отделке древесных плит.

Получение и особенности переработки в изделия политетрафторэтилена (ФТ-4) и политрифторхлорэтилена (ФТ-3). Свойства и применение ФП.

К о н т р о л ь н а я р а б о т а № 4

1. Полиэфиры

Линейные и трѐхмерные полиэфиры (ПЭф). Получение, свойства и применение полиэтилентерефталата (ПЭТФ).

Получение насыщенных ПЭф. Свойства алкидных смол и их применение. Написать схемы реакций получения и отверждения ненасыщенных полиэфирных смол (НПЭС). Нарисовать схему производства НПЭС и дать еѐ описание. Свойства и применение НПЭС, в том числе при отделке древесных плит.

2. Полиакрилаты

Получение и свойства полимеров эфиров, амидов и нитрилов акриловой (ПАк) и метакриловой (ПМАк) кислот. Влияние методов осуществления реакции полимеризации на свойства полимеров. Применение полиметилметакрилата (ПММА) и сополимеров метакриловой кислоты в отделке древесных плит.

Ко н т р о л ь н а я р а б о т а № 5

1.Полиамиды и полиуретаны

Написать схемы реакций получения полиамидов (ПА): капрона (ПА 6) и нейлона (ПА 66). Нарисовать схему производства ПА. Свойства ПА и их применение.

9

Особенности получения полиуретанов (ПУ); написать схемы реакций. Свойства ПУ и их применение, в том числе при отделке ДП.

2. Полимеры винилового спирта и его производных

Получение, свойства и применение поливинилацетата (ПВА) и сополимеров винилацетата при отделке ДКМ.

Особенности получения поливинилового спирта (ПВС). Свойства и применение ПВС.

Написать реакции образования поливинилацеталей (ПВАц). Свойства и применение ПВАц в составе клеѐв, пластических масс, лакокрасочных материалов.

ПЕРЕЧЕНЬ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

лимеризации и его анализ.

Лабораторные работы выполняются в период экзаменационной сессии для закрепления знаний по синтезу, свойствам и применению синтетических олигомеров и полимеров.

10