Технология полимеров
Покупка
Тематика:
Технология полимерных материалов
Год издания: 2018
Кол-во страниц: 140
Дополнительно
Вид издания:
Учебно-методическая литература
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-7882-2436-7
Артикул: 788852.01.99
Доступ онлайн
В корзину
Рассмотрены способы получения основных полимеров. Содержит подробное описание полимернзационных и поликонденсационных способов синтеза полимеров, методики количественного анализа исходного сырья, полимеров н побочных продуктов реакции.
Предназначено для студентов бакалавриата направления 18.03.01 «Химическая технология», профиль подготовки «Технология и переработка полимеров», изучающих дисциплины «Технология полимеров» и «Химия и физика полимеров».
Подготовлено на кафедре технологии пластических масс.
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Казанский национальный исследовательский технологический университет» С. Ю. Софьина, Н. Е. Темникова, С. Н. Русанова ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛИМЕРОВ Учебно-методическое пособие Казань Издательство КНИТУ 2018
УДК 678(07) ББК 35.71.я7 С68 Печатается по решению редакционно-издательского совета Казанского национального исследовательского технологического университета Рецензенты: канд. хим. наук. Б. Н. Бобров д-р хим. наук, проф. В. М. Янборисов С68 Софьина С. Ю. Технология полимеров : учебно-методическое пособие / С. Ю. Софьина, Н. Е. Темникова, С. Н. Русанова; Минобрнауки России, Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2018. – 140 с. ISBN 978-5-7882-2436-7 Рассмотрены способы получения основных полимеров. Содержит под- робное описание полимеризационных и поликонденсационных способов син- теза полимеров, методики количественного анализа исходного сырья, поли- меров и побочных продуктов реакции. Предназначено для студентов бакалавриата направления 18.03.01 «Хи- мическая технология», профиль подготовки «Технология и переработка по- лимеров», изучающих дисциплины «Технология полимеров» и «Химия и фи- зика полимеров». Подготовлено на кафедре технологии пластических масс. ISBN 978-5-7882-2436-7 © Софьина С. Ю., Темникова Н. Е., Русанова С. Н., 2018 © Казанский национальный исследовательский технологический университет, 2018 УДК 678(07) ББК 35.71.я7
Список принятых сокращений ПЭ - полиэтилен ПВХ - поливинилхлорид ПС – полистирол ПП – полипропилен ПБ- полибутадиен ММ – молекулярная масса УФ – ультрафиолет ММР – молекулярно-массовое распределение ПАВ – поверхностно-активные вещества ЛКМ – лакокрасочные материалы ПЭВД – полиэтилен высокого давления ПЭНД – полиэтилен низкого давления ПЭНП – полиэтилен низкой плотности ПЭВП – полиэтилен высокой плотности ПС – полистирол УПС – ударопрочный полистирол ПММА – полиметилметакрилат ММА – метилметакрилат МС – метилметакрилат-стирол ПЭТФ (ПЭТ) – полиэтилентерефталат ПК - поликарбонат ДФП - дифенилолпропан ЭХГ – эпихлоргидрин ЭС – эпоксидная смола ПВА – поливинилацетат ФФС – фенолформальдегидная смола НС – новолачная смола РС – резольная смола ГМТА – гексаметилентетрамин
ВВЕДЕНИЕ Технологии производства полимеров постоянно совершенствуются в соответствии с современным уровнем техники. Однако существуют принципиальные технологические схемы получения полимеров, и выпускник университета должен знать основные закономерности технологического процесса получения различных полимеров. Учебное пособие состоит из двух блоков: теоретического и лабораторного практикума. Целью теоретического блока является ознакомление бакалавров, обучающихся по направлению 18.03.01 «Химическая технология», с основными технологиями получения наиболее распространенных полимеров для изучения механизмов и закономерностей синтеза высокомолекулярных соединений. В учебном пособии приводится описание не только промышленных способов получения того или иного полимера, но и классические лабораторные методики синтеза полимеризационных (полимеризация в блоке, суспензии, эмульсии) и поликонденсационных полимеров. Второй блок представляет собой лабораторный практикум по технологии полимеров. При подготовке специалистов в области полу- чения полимеров большое значение имеет проведение лабораторных работ, при выполнении которых будущие специалисты осваивают на- выки работы с веществами, модельные способы получения полимеров. Основными задачами лабораторного практикума является закрепление теоретических знаний, полученных на лекционных занятий по курсу «Технология полимеров», по способам синтеза полимеров, приобрете- ние практических навыков экспериментальной работы по получению высокомолекулярных соединений различными методами, составлению материального баланса проводимого модельного технологического процесса для углубления практической подготовки будущих специа- листов в области химии и технологии высокомолекулярных соедине- ний. Учебное пособие составлено с учетом того, что бакалавры, обу- чающиеся по направлению 18.03.01 «Химическая технология», вы- полняют лабораторные работы по курсу «Химия и физика полиме- ров».
1. ПОЛУЧЕНИЕ ПОЛИМЕРОВ Основными способами получения полимеров являются поли- меризация, поликонденсация и химические превращения полимеров. 1.1. Полимеризация Полимеризация – процесс получения высокомолекулярных со- единений путем многократного присоединения молекул низкомолеку- лярного вещества (мономера) к активному центру растущей цепи. В зависимости от числа мономеров в реакционной среде можно выделить гомополимеризацию, когда полимеризуется один мономер, и сополимеризацию, когда в процессе полимеризации участвует два и более мономеров. В зависимости от природы активного центра и механизма роста цепи полимеризацию подразделяют на радикальную и ионную. В зависимости от фазового состояния мономера различают га- зофазную, жидкофазную и твердофазную полимеризации. Способность мономеров к полимеризации определяется термо- динамическими и кинетическими факторами. Термодинамическая возможность полимеризации определяется условием ΔG=ΔH-TΔS<0, где G –энергия Гиббса системы, кДж; Н – энтальпия, кДж; Т - темпе- ратура, К; S – энтропия, кДж/К. Термодинамическая возможность про- текания полимеризации определяется изменением как энтальпии, так и энтропии системы, причем вклад энтропийного члена будет изменять- ся с температурой реакции. Однако термодинамическая возможность полимеризации зависит и от её кинетической разрешимости. Кинети- ческая разрешимость реакции определяется эффективностью катали- затора, условиями протекания реакции, растворителем, температурой и т. д. 1.1.1. Радикальная полимеризация Радикальной называется полимеризация, при которой образова- ние полимера осуществляется по свободнорадикальному механизму с последовательным присоединением молекул мономера к растущему макрорадикалу. В настоящее время на этот метод синтеза приходится около ¾ общего мирового выпуска полимеров. В промышленности радикальной полимеризацией получают такие наиболее массовые по- лимеры, как ПЭ, ПВХ и ПС. Широкое применение этого метода в промышленности обусловлено следующими причинами:
- малой чувствительностью к примесям и среде, характерным для ионной полимеризации; - избирательностью некоторых мономеров, т.е. их способностью полимеризоваться под действием свободных радикалов (винилхлорид, винилацетат). Под действием свободных радикалов полимеризуются мономеры следующей структуры: СН2=СНХ (где Х: Н, галогены, СООН, СООR, CN, OCOR, CONH2, С6Н5), СН2=СХ2 (где Х: галоген, полярная группа), СН2=СХY и др., Y – другая полярная группа. Основные стадии полимеризации. Основными стадиями полиме- ризации являются: инициирование, рост цепи, обрыв цепи и передача цепи. Инициирование – это образование радикалов или активных цен- тров, которое осуществляется различными путями: 1) При энергетическом воздействии на мономер (нагрев, фото- лиз, радиолиз). 2) При введении инициаторов – источников радикалов. Количе- ство вводимого инициатора невелико и составляет 0,1–1 % от массы мономера. В качестве инициаторов используются соединения, имею- щие лабильные связи: О-О, N-N, S-S, C-S, N-S. Такими соединениями являются пероксиды, диазосоединения, дисульфиды и др (см. таблицу). Примеры распада различных инициаторов Гидропероксид • • ROOH RO +HO Персульфат калия + •- 2 2 8 4 K S O 2K +2SO Динитрил азодиизомаслянной кислоты Пероксид бензоила 6 5 6 5 • • 6 5 6 5 2 C H COO-OOCC H 2C H COO 2C H +2CO Редокс-система 2+ 3+ - • 2 2 Fe +H O Fe +OH +OH Инициатор выбирают исходя из требуемой скорости образования радикалов. Так, редокс-системы применяют при комнатной или пони- женной температуре, персульфаты – при 40–70 °С, диазосоединения – при 50–70 °С, пероксид бензоила – при 80–95 °С. При выборе инициа- тора учитывают его растворимость в требуемом растворителе. Водо-
растворимые инициаторы: пероксид водорода, персульфаты, редокс- системы. В органических растворителях растворяются пероксид бен- зоила, азоинициаторы. Рассмотрим элементарные стадии радикальной полимеризации Инициирование. Радикал, образовавшийся при распаде инициа- тора, присоединяется к мономеру и образует растущую цепь: • • I 2R R M RM kрасп kин Здесь kрасп и kин – соответственно константы скорости распада инициа- тора и инициирования. Рост цепи. Это повторяющееся присоединение молекул моно- мера к активному центру: • • 2 • 2 3 • n n+1 M +M M M +M M M +M M kp Здесь kр - константа скорости роста цепи. Развитие кинетической цепи сопровождается образованием материальной цепи. Обрыв цепи. Это гибель активного центра вследствие реакции с другим активным центром, примесью или в результате молекуляр- ной перестройки: • • 0 n m • 0 n • 0 n M +M Инертный продукт M Z Инертный продукт M Инертный продукт k k k Здесь ko – константа скорости обрыва цепи. При взаимодействии двух радикалов возможна их рекомбинация или диспропорционирование: Обрыв может происходить при любой длине макрорадикала, по- этому образуются макромолекулы различной длины, и полимер стано-
вится полидисперсным. Обрыв возможен и при взаимодействии мак- рорадикала с ингибитором. Ингибиторы применяются для предотвра- щения полимеризации при хранении мономеров. В этом случае доста- точно небольших добавок ингибитора - в количества 0,1–1 % от массы мономера. Передача цепи. Это переход активного центра на мономер, по- лимер, растворитель и др: пер k • • n n M +X M +X X M XM Здесь kпер – константа скорости передачи цепи. Реакции обрыва и передачи цепи называются реакциями ограни- чения роста цепи. В результате передачи цепи снижается молекуляр- ная масса полимера: p o пер P=v / v +v , где vp, vo и vпер – соответствен- но скорости роста, обрыва и передачи цепи. Поэтому передача цепи используется для регулирования молекулярной массы полимера. Факторы, влияющие на процесс радикальной полимеризации Влияние температуры и давления на радикальную полимеризацию. Известно, что повышение температуры приводит к увеличению констант скоростей всех элементарных стадий процесса полимеризации, оказывает существенное влияние на стадию инициирования, поскольку ее энергия активации является наибольшей по сравнению с другими стадиями. Так, суммарная энергия активации процесса полимеризации определяется энергией активации стадии инициирования (Еин), роста (Ер) и обрыва (Ео): а ин р о Е =1 2Е + Е -1 2Е . При полимеризации виниловых мономеров Ер = 16–25 кДж/моль, Ео = 5–14 кДж/моль, следовательно, Ep – 1/2Eo = 10–23 кДж/моль, тогда как Eин = 80–120 кДж/моль. Отсюда следует, что повышение скорости полимеризации обусловлено главным образом возрастанием скорости инициирования. Поскольку последнее приводит к увеличению стационарной концентрации радикалов, это вызывает уменьшение длины кинетической цепи и, следовательно, материальной цепи. Повышение Vин приводит к росту скорости образования активных центров и, как следствие, к возрастанию скорости роста цепи в соответствии с уравнением • р р n V =k R M .
Одновременно с температурой растет и скорость обрыва цепи в соответствии с уравнением 2 o o n V k R . Поскольку концентрация активных центров входит в уравнение скорости роста цепи в первой степени, а в уравнение скорости обрыва цепи – в квадрате, это означает, что с повышением температуры скорость обрыва возрастает в большей степени, чем скорость роста. Следовательно, с повышением температуры скорость полимеризации возрастает, а молекулярная масса полимера уменьшается. Давление, как правило, увеличивает скорость и степень полимеризации. Так, увеличение давления в 1000 раз по сравнению с атмосферным приводит к возрастанию скорости инициированной полимеризации, например, стирола на порядок, а степени полимеризации – в два раза. Это явление связано со значительной разницей молярных объемов мономера и полимера. При превращении мономера в полимер объем системы уменьшается на 20–25 % вследствие возникновения новых химических связей. Поэтому в соответствии с принципом Ле Шателье давление увеличивает скорость реакции, приводящей к уменьшению объема системы (реакции роста). Влияние концентрации инициатора. Зависимость скорости полимеризации и молекулярной массы полимера от концентрации инициатора определяется «правилом квадратного корня». Чем больше концентрация инициатора, тем выше скорость полимеризации, но ниже молекулярная масса образующегося полимера. Влияние концентрации мономера. С увеличением концентрации мономера повышается скорость полимеризации и увеличивается средняя степень полимеризации. Зависимость скорости полимеризации от времени. Гель- эффект. При полимеризации мономеров вязкость системы изменяется на много порядков. Когда она возрастает на 4–5 порядков, что означает 15–25 % превращения, скорость полимеризации многих мономеров самопроизвольно увеличивается. Этот эффект получил название гель- эффекта. Гель-эффект (эффект Тромсдорфа) – это явление самопроизвольного увеличения скорости свободнорадикальной полимеризации при достижения определенной степени конверсии. Обычно он проявляется при полимеризации мономера в массе или в виде концентрированного раствора и особенно характерен для полимеризации ме- тилметакрилата.
Степень превращения, при которой проявляется гель-эффект, и величина его зависят от природы мономера, температуры, наличия растворителей. Все эти факторы уменьшают вязкость системы, и по- этому гель-эффект уменьшается, или он совсем не проявляется, если реакция проводится в растворе. 1.1.2. Ионная полимеризация Ионной полимеризацией называется процесс синтеза полимеров, при котором активными центрами, возбуждающими цепную реакцию, являются ионы. Вещества, инициирующие полимеризацию мономеров по ионному механизму, называются катализаторами. Ионная поли- меризация, как и радикальная, является разновидностью цепной поли- меризации, поэтому механизмы ионной полимеризации, как и ради- кальной, включают стадии инициирования, роста и обрыва цепей. Од- нако ионная полимеризация имеет ряд специфических особенностей, отличающих ее от радикальной. Эти особенности можно свести к сле- дующим: 1. Для инициирования процессов ионной полимеризации исполь- зуют не инициаторы, а катализаторы. Разница между ними в том, что фрагменты инициатора входят в состав полимера (в виде концевых групп), а катализатор не входит в состав продукта реакции. 2. Энергия активации процессов ионной полимеризации во мно- гих случаях заметно ниже, чем радикальных процессов, что позволяет проводить эти процессы при обычных и даже минусовых температу- рах. 3. Реакции радикальной полимеризации проводят в разных сис- темах – в блоке, растворе, эмульсии, суспензии, ионную полимериза- цию, как правило, осуществляют в растворах. 4. Обрыв цепи при реакциях ионной полимеризации в отличие от радикальных не может происходить при встрече двух «живых» це- пей, так как эти цепи одноименно заряжены. Обрыв цепей здесь про- исходит при взаимодействии «живых» цепей с какими-либо другими частицами – либо присутствующими в реакционной смеси (катализа- тор, растворитель), либо специально добавленными. В целом ряде случаев обрыв цепи затруднен, а в отдельных случаях просто не про- исходит, и после исчерпания мономера полученный полимер состоит из «живых» цепей. Если к такому полимеру добавить новую порцию
Доступ онлайн
В корзину