книги / Химия и технология полимерных материалов. Полимеры

УДК 678.7.01(075.8) У47

Рецензенты:

канд. хим. наук, доцент Е.С. Денисламова (Пермский национальный исследовательский политехнический университет);

канд. хим. наук Т.А. Роздяловская

(Институт технической химии УрО РАН)

Уханов, С.Е.

У47 Химия и технология полимерных материалов : учеб. пособие : в 2 ч. / С.Е. Уханов, А.Н. Чудинов. – Пермь : Издво Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2020.

ISBN 978-5-398-02296-4 (общ.)

Ч. 1: Химия полимерных материалов. – 179 с. ISBN 978-5-398-02362-6 (ч. 1)

Изложены основы физикохимии высокомолекулярных соединений, описаны их свойства, методы получения и разделения. Приведеныпроцессыдеструкцииполимерныхматериалов.

Предназначено для студентов, обучающихся по направлению 18.03.01 «Химическая технология», профиль бакалавриата «Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов».

УДК 678.7.01(075.8)

2

3

4

5

ВВЕДЕНИЕ

Высокомолекулярные соединения, материалы и изделия на их основе давно и прочно вошли в нашу жизнь. Давно прошло то время, когда синтетические полимерные материалы были лишь заменителями природных материалов. В настоящее время они не только вытеснили из привычных областей применения такие материалы, как древесина, цветные и черные металлы, но и открыли совершенно новые направления их использования, недоступные для традиционных материалов. Полиэтиленовые, полипропиленовые и поливинилхлоридные трубы значительно легче и долговечнее, чем стальные или чугунные. Цветные металлы успешно заменяются пластмассами при изготовлении деталей машин и механизмов, различных изделий, применяемых в быту и промышленности. Полимеры, армированные стекловолокном, используются для изготовления кузовов автомобилей, фюзеляжей самолетов, корпусов катеров, легких морских судов и т.д.

Широко применяются различные виды пластмасс в строительной технике. Стены зданий, перегородки, полы, потолки, тепло- и звукоизоляция, различная арматура, сантехника и т.п. представляют далеко не полный перечень объектов, при изготовлении которых применяются высокомолекулярные соединения.

Синтетические волокна широко применяются для изготовления различных текстильных изделий, тканей, трикотажа, искусственного меха, шерсти, шелка и т.п. Синтетические полимерные волокна – идеальный материал для корда автомобильных и авиационных шин. Один из авиаконструкторов еще в прошлом веке в связи с этим заметил: «Найлон создалтяжелые бомбардировщики».

Пленки из полиэтилена, полиэтилентерефталата, поливинилхлорида и других полимеров широко применяются как упаковочный материал.

В медицине высокомолекулярные соединения используются как заменители крови, для изготовления зубных протезов, костей, кровеносныхсосудов, искусственныхпочек, сердечныхклапановит.д.

6

Синтез высокополимерных ионообменных смол открыл широкие перспективы для их применения в химической промышленности и других отраслях для очистки воды, водных растворов и стоков от примесей. Синтетические иониты позволяют извлекать из водных растворов одну миллионную и даже одну миллиардную процента примеси благородных и редких металлов.

Годовой объем производства высокомолекулярных соединений (ВМС) и полимерных материалов на их основе в начале нынешнего века составил более 225 млн т. По общему объему производства материалы на основе ВМС превосходят объем производства черных металлов.

В связи с широчайшим и разноплановым использованием высокомолекулярных соединений в самых разных областях человеческой деятельности знание основ химии и технологии ВМС является совершенно необходимым для любого современного специалиста в области науки и техники.

7

1. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ХИМИИ ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ ВЕЩЕСТВ

Полимеры существовали на нашей планете задолго до появления человека. Материальной основой жизни является белок, т.е. громадные полимерные молекулы. Многие миллионы лет назад этот полимер в природе был синтезирован из метана, аммиака

иуглекислого газа. Кроме белков с давних времен существовали

идругие формы полимерных молекул. Такие вещества, как древесина, хлопок, крахмал, тоже являются полимерами. Иначе говоря, люди, как и все остальные животные и растения, состоят из полимеров. Но только человек оценил свойства высокомолекулярных веществ и начал использовать их сообразно со своими нуждами и запросами.

Спросим себя: что, в конечном счете, является наиболее важной движущей силой человеческого развития? И ответим: инстинкт выживания. Даже миллионы лет назад основные потребности человека были те же, что и сегодня: ему были необходимы пища и средства защиты от окружающей среды. Шкуры животных защищали его тело от холода, ветви деревьев использовались для постройки жилища, деревянная дубинка оказалась удобнее, чем просто камень, соединив то и другое с помощью целлюлозных волокон, человек создал каменный топор. Таким образом, с первых дней цивилизации человек использовал полимерные материалы, дарованные природой.

Входе развития цивилизации люди изыскивали все новые

иновые пути удовлетворения своих потребностей. И сейчас мы не отказываемся от одежды из шерсти из шкур животных, хотя сегодня с ней успешно конкурирует одежда из полиэфиров и полиамидов, т.е. природные полимеры дополнены синтетическими.

Полимеры позволяли не только удовлетворять насущные потребности человека, но и потакали его прихотям. В XV в. Христофор Колумб заметил, что индейцы Южной Америки в своих

8

играх и забавах используют каучуковые мячи, изготовленные из млечного сока гевеи. Со временем эти индейские забавы привели

квозникновению одной из самых мощных отраслей промышленности на Земле.

Ряд полимеров был, по-видимому, получен еще в первой половине XIX в. Однако химики тогда обычно пытались подавить полимеризацию и поликонденсацию, которые вели к «осмолению» продуктов основной химической реакции, т.е. к образованию полимеров (до сих пор полимеры часто называют «смолами»). Первые упоминания о синтетических полимерах относятся

к1838 г. (поливинилиденхлорид) и 1839 г. (полистирол). Развитию полимерной науки и технологии часто способст-

вовали и различные курьезы и случайности. Швейцарский ученый Кристиан Шонбайн однажды разбил колбу, содержащую смесь азотной и серной кислот. В панике он схватил фартук жены и начал затирать им лужу. Затем бедняга выстирал фартук и повесил его сушиться у камина. Но едва фартук подсох, он вспыхнул и мгновенно исчез без следа – просто растворился в воздухе. Так был открыт бездымный порох – полимерный аналог черного пороха.

Теоретическая основа для химии ВМС возникла только в связи с созданием А.М. Бутлеровым теории химического строения. А.М. Бутлеров изучал связь между строением и относительной устойчивостью молекул, проявляющейся в реакциях полимеризации, и предложил рассматривать способность непредельных соединений к полимеризации в качестве критерия их реакционной способности. В 1860–1870-х гг. А.М. Бутлеров выяснил структуру многих олефинов и многие из них заполимеризовал, в частности изобутилен под действием серной кислоты. Отсюда берут свое начало классические работы в области полимеризационных процессов А.Е. Фаворского, В.Н. Ипатьева и С.В. Лебедева.

В XIX в. – в эпоху бурного развития органической химии – химики столкнулись с досадным осложнением. Многие реакции приводили к образованию клейких и вязких веществ, которые налипали на посуду и оборудование и мешали выделению целе-

9

вого продукта синтеза. И только гениальность Лео Бакеланда помогла разглядеть в этой противной липкой грязи новую ветвь в химии и химической технологии. В 1907 г. он получил бакелит – пластик на основе фенолоформальдегидной смолы, прадедушку многих сотен современных пластмасс. Первооткрывателем же реакции между фенолом и формальдегидом был А. Байер, наблюдавший образование смолы в этой реакции еще в 1872 г., но он результатом не заинтересовался.

Несколько ранее для замены дефицитной слоновой кости был предложен целлулоид – полимерный материал, способный формироваться в изделия любой формы. В 1908 г. Жак Бранденбургер изобрел знаменитый прозрачный материал – целлофан, используемый и по сей день.

Однако, несмотря на эти изобретения, в начале XX в. не существовало понимания процесса полимеризации. Лишь в 1922 г. немецкий химик Герман Штаудингер выдвинул определение макромолекулы – длинной конструкции из атомов, связанных ковалентными связями. Он же первым установил взаимосвязь между молекулярной массой полимера и вязкостью его раствора. Тогда же в 1920–1930-х гг. благодаря передовым работам Н.Н. Семенова в области цепных реакций было обнаружено глубокое сходство механизма полимеризации с цепными реакциями.

В1930-х гг. было доказано существование свободнорадикального (Г. Штаудингер и др.) и ионного (Ф. Уитмор и др.) механизмов полимеризации. Большую роль в развитии представлений о поликонденсации сыграли работы У. Карозерса, который ввел в химию высокомолекулярных соединений понятия функциональности мономера, линейной и трехмерной поликонденсации. Он же в 1931 г. синтезировал совместно с Дж.А. Ньюландом хлоропреновый каучук (неопрен) и в 1937 г. разработал метод получения полиамида для формования волокна типа найлон.

Вэтом же десятилетии появились еще несколько полимеров. До Второй мировой войны наиболее развитые страны освоили промышленное производство синтетического каучука, полистирола, поливинилхлорида и полиметилметакрилата.

10