polimery - EduTuba

Ogólne
informacje na
temat
polimerów.
Tworzywa sztuczne
Są to materiały oparte na
polimerach syntetycznych,
lub zmodyfikowanych
naturalnych, zastępujące
tradycyjne tworzywa takie
jak drewno, ceramika,
metal, kauczuk naturalny,
gutaperka i inne. Ponadto,
wiele tworzyw sztucznych
posiada własności
niemożliwe do uzyskania z
zastosowaniem surowców
naturalnych.






W skład tworzyw sztucznych
oprócz polimerów wchodzą
różnego rodzaju dodatki
nadające im określone
właściwości fizyczne. Mogą to
być:
napełniacze
plastyfikatory
stabilizatory [antyozonanty,
dodatki zmniejszające palność]
antystatyki
barwniki
dodatki przeciwścierne



Tworzywa sztuczne znajdują się w
wielu dziedzinach gospodarki. Do
najczęściej spotykanych należą:
termoplastyczne [polietylen,
polistyren, polichlorek winylu,
polimetakrylan metylu]
termoutwardzalne [bakelit]
chemoutwardzalne [żywice
epoksydowe]
Historia tworzyw sztucznych:
Pierwsze w skali przemysłowej próby chemiczne modyfikowania
związków wielkocząsteczkowych rozpoczęto 1850–75. W 1872 w
USA otrzymano celuloid, w Niemczech — 1897 uruchomiono
produkcję galalitu, a 1904 acetylocelulozy. Pierwszymi
syntetycznymi tworzywami sztucznymi były żywice fenolowoformaldehydowe otrzymane 1872 (A. Baeyer), jednak produkcję
ich podjęto dopiero 1909 na podstawie patentu belg. chemika H.
Baekelanda. W 1928–31 rozpoczęto produkcję większości
tworzyw poliwinylowych. Pierwsze tworzywa poliamidowe
wyprodukowano 1937 w USA, polietylen wysokociśnieniowy w
1939 w Wielkiej Brytanii, w USA rozpoczęto produkcję tworzyw
poliestrowych w 1942 r, polichlorku winylidenu w 1942 r,
silikonów w 1943 r. Dalszy rozwój tworzyw sztucznych był
związany z wyprodukowaniem żywic epoksydowych w Szwajcarii,
poliformaldehydu w 1946 w USA, w RFN polietylenu
niskociśnieniowego w 1956 i poliwęglanów w 1957, polipropylenu w
1957 we Włoszech.
Termoplasty
Tworzywo termoplastyczne jest to tworzywo sztuczne, które w
określonej temperaturze i ciśnieniu zaczyna mieć własności lepkiego
płynu. Tworzywa termoplastyczne można kształtować przez tłoczenie i
wtryskiwanie w podwyższonej temperaturze a następnie szybkie
schłodzenie do temperatury użytkowej.
Termoplasty można przetwarzać wielokrotnie w przeciwieństwie do
duroplastów, jednak po każdym przetworzeniu zazwyczaj pogarszają się
ich własności użytkowe i mechaniczne na skutek zjawiska depolimeryzacji
oraz degradacji tworzących te tworzywa polimerów lub żywic.
Dzięki zjawisku termoplastyczności tworzyw sztucznych, można je
kształtować w jednym, względnie prostym i szybkim procesie
technologicznym. Umożliwia to tworzenie z nich przedmiotów o bardzo
złożonym kształcie, który nie mógłby być osiągnięty przy pomocy technik
skrawania, stosowanych dla metali czy technik spiekania stosowanych dla
materiałów ceramicznych. Oprócz masowej produkcji z tworzyw
termoplastycznych za pomocą technologii wtrysku skomplikowanych
kształtek wykorzystywanych jako naczynia domowego użytku, elementy
zabawek, mebli czy karoserii samochodów, można z nich także
otrzymywać rury i folie w procesach ciągłego tłoczenia i wytłaczania.
Wydmuchiwanie tworzyw termoplastycznych jest z kolei stosowane
masowo do produkcji plastikowych butelek.
POLIMERY
Substancje chemiczne o bardzo dużej masie cząsteczkowej,
które składają się z wielokrotnie powtórzonych jednostek
zwanych merami. Przez "bardzo dużą masę cząsteczkową"
rozumie się zwykle taką sytuację, gdy odjęcie lub
przyłączenie jednego meru nie zmienia w zasadniczym
stopniu ogólnych własności chemicznych i fizycznych związku
chemicznego. Odróżnia to polimery od oligomerów, które
mają jeszcze na tyle małą masę cząsteczkową, że dodanie do
nich lub odjęcie jednego meru skutkuje zauważalną zmianą
np. ich temperatury topnienia.
Polimery naturalne są jednym z podstawowych budulców
organizmów żywych, a syntetyczne tworzyw sztucznych oraz
wielu innych powszechnie wykorzystywanych produktów
chemicznych takich jak: farby, lakiery, oleje przemysłowe,
środki smarujące, kleje itp. Otrzymuje się je w wyniku
łańcuchowych lub sekwencyjnych reakcji polimeryzacji ze
związków posiadających minimum dwie grupy funkcyjne
zwanych monomerami.
Mer
Mer to najprostszy, jaki da się wyróżnić, stale
powtarzający się fragment cząsteczek polimerów.
Monomery
Monomery to proste cząsteczki tego samego związku
chemicznego, z których w wyniku polimeryzacji powstaje polimer.
Monomery stosowane do syntezy polimerów syntetycznych można
podzielić na:
 monomery winylowe są to związki posiadające wiązania
wielokrotne węgiel-węgiel, (jak np. etylen CH2=CH2), które
pękając w trakcie reakcji polimeryzacji prowadzą do
powstawania poliolefin
 monomery cykliczne są to związki posiadające naprężone układy
cykliczne (np. cyklobutan), które mogą pękać w trakcie
polimeryzacji - otrzymuje się w ten sposób wiele polimerów np.
poliamidy.
 monomery funkcyjne są to związki, które posiadają minimum dwie
reaktywne grupy funkcyjne, które reagując ze sobą w wyniku
reakcji polikondensacji lub poliaddycji prowadzą do otrzymania
polimerów posiadających charakterystyczne układy wiązań np.
poliueratanów.
Monomerami ulegającymi polimeryzacji są przede wszystkim związki
zawierające wiązania wielokrotne (podwójne lub potrójne) czyli
węglowodory nienasycone.
Węglowodory nienasycone
Węglowodory nienasycone są to związki, w
cząsteczkach których znajdują się atomy węgla
powiązane ze sobą wiązaniami podwójnymi i
potrójnymi. Nazywa się je tak dlatego, ponieważ ich
cząsteczki mają mniejszą liczbę atomów wodoru niż
związki nasycone, wiązania wielokrotne (podwójne i
potrójne) są mniej trwałe, niż pojedyncze i dlatego
stosunkowo łatwo pękają w czasie reakcji
chemicznych.
Podział węglowodorów nienasyconych:






alkeny (olefiny) - zawierające wiązania podwójne (np. etylen)
dieny - zawierające dwa wiązania podwójne
alleny - w których występują skumulowane układy wiązań
podwójnych (C=C=C)
dieny sprzężone - w których występują dwa wiązania
podwójne przedzielone jednym pojedynczym: (C=C-C=C) (np.
butadien)
polieny- w których występuje więcej niż dwa wiązania
podwójne.
alkiny - w których występują wiązania potrójne węgiel-węgiel
(np. acetylen)
Podział polimerów:
Ze względu na pochodzenie:



polimery syntetyczne są to polimery pochodzące w 100% z syntezy
chemicznej zaczynającej się od prostych monomerów
polimery naturalne są to polimery wytwarzane w 100% przez
organizmy żywe; są to m.in. celuloza, białka, kwasy nukleinowe.
polimery modyfikowane są to polimery naturalne, które jednak
zostały sztucznie zmodyfikowane chemicznie, zwykle w celu zmiany
ich własności użytkowych np.: octan celulozy, białko modyfikowane,
skrobia modyfikowana.
Zastosowanie polimerów






tworzywa sztuczne
farby i lakiery
kleje i podobne środki powierzchniowo czynne
polimery ciekłokrystaliczne
membrany i inne materiały o zdolnościach
rozdzielczych
mikrosfery polimerowe
Polimeryzacja
Polimeryzacja to reakcja, w wyniku której związek chemiczny o małej masie
cząsteczkowej zwany monomerem lub mieszanina kilku takich związków reagują
same z sobą, aż do wyczerpania wolnych grup funkcyjnych, w wyniku czego
powstają cząsteczki o wielokrotnie większej masie cząsteczkowej od
substratów, tworząc polimer.
Począwszy od lat 30. XX w. wiele reakcji polimeryzacji wykorzystanych jest w
przemyśle.




Szybkość polimeryzacji uzależniona jest od:
temperatury,
ciśnienia,
ilości,
rodzaju inicjatora lub katalizatora.
W reakcji polimeryzacji wiązanie podwójne ulega przekształceniu w wiązanie
pojedyncze pod wpływem inicjatora. W czasie przekształcania ulega rozerwaniu
jedno z wiązań w wiązaniu podwójnym a do uwolnionych końców dołącza się druga
cząsteczka również z tak samo przekształconym wiązaniem – etap 1. Następuje
proces dalszej syntezy (etap 2), wzrost łańcucha węglowego a cząsteczka
olbrzym stopniowo się rozrasta, dopóki w środowisku reakcji nie zniknie
inicjator.
Cząsteczki które powstają mają masę cząsteczkową rzędu 100 000 i więcej.
Reakcje polimeryzacji można
podzielić na:


stopniowe - w których reakcja następuje "krok po kroku", tj. najpierw
reagują z sobą dwa monomery tworząc dimer, a następnie dimery
reagują z sobą tworząc tetramery itd. ; w stopniowej polimeryzacji
masa cząsteczkowa produktu bardzo silnie zależy od stopnia
przereagowania monomerów zgodnie z równaniem Carothersa; aby
uzyskać polimer o dużej masie cząsteczkowej należy osiągnąć wysoki
stopień przereagowania monomerów
łańcuchowe - w których reakcja następuje "lawinowo", zaczyna się ona
od reakcji inicjowania aktywnej formy monomeru, która jest w stanie
przyłączać do siebie kolejne monomery w reakcji propagacji pozostając
aktywna aż do momentu "śmierci" w wyniku reakcji terminacji; reakcje
terminacji i inicjacji przebiegają stosunkowo wolno, natomiast reakcja
propagacji przebiega błyskawicznie, dzięki czemu można w tym procesie
uzyskać polimery o dużych masach cząsteczkowych; w polimeryzacji
łańcuchowej nie potrzeba osiągać wysokiego stopnia przereagowania
monomerów; masa cząsteczkowa uzyskiwanego polimeru zależy głównie
od stosunku szybkości reakcji inicjacji i terminacji do szybkości reakcji
propagacji; szczególnym przypadkiem polimeryzacji łańcuchowej jest
polimeryzacja żyjąca.
Ze względów technologicznych
rozróżnia się:





Polimeryzację
Polimeryzację
Polimeryzację
Polimeryzację
Polimeryzację
blokową
w roztworze
emulsyjną
w zawiesinie
w fazie gazowej
Polikondensacja
Polikondensacja jest to proces syntezy polimeru polegający na reakcji
cząsteczek związków chemicznych ze sobą, zawierających reaktywne grupy, przy
czym wydzielają się małocząsteczkowe produkty uboczne, jak np. woda.
Reakcja polikondensacji w przeciwieństwie do reakcji polimeryzacji jest reakcją
stopniową przebiegającą wolniej, a często prowadzącą do ustalenia się stanu
równowagi, który można przesunąć na korzyść powstawania polimeru przez
usuwanie ze środowiska reakcji powstającego małocząsteczkowego produktu
ubocznego.
Klasycznym przykładem reakcji polikondensacji jest reakcja poliestryfikacji. W
wyniku reakcji kwasów dikarboksylowych z alkoholami diwodorotlenowymi
(glikolami) powstają odpowiednie poliestry oraz woda.
n HOOC-R-COOH + n HO-R'-OH --> (n-1)H-[OOC-R-COO-R']n-OH +(n-1) H2O
Użycie do reakcji kwasu organicznego o większej liczbie grup karboksylowych lub
alkoholu o większej liczbie grup hydroksylowych (wodorotlenowych) prowadzi do
powstania produktu o budowie usieciowanej.
Metoda polikondensacji znalazła duże zastosowanie do syntezy poliestrów,
poliamidów, polisulfonów, fenoplastów, aminoplastów i silikonów.
Wykonawcy:





Katarzyna Woś
Aleksandra Mazepa
Anna Podporska
Kamila Pelikan
Dawid Świacki