Полимерлі материалдар

ҚАЗАҚСТАН РЕСПУБЛИКАСЫ БІЛІМ ЖӘНЕ ҒЫЛЫМ МИНИСТРЛІГІ

     Қ.Жұбанов атындағы  Ақтөбе өңірлік мемлекеттік университеті

 

 

 

 

 

МӘНЖАЗБА

 

 

Тақырыбы:Полимерлі материалдар

 

 

 

 

                                                        Орындаған:Нәдірбай Нұршат

                                                        Тексерген:Махамбетова Жанаргүл  Караевна

                                            

                                                   

 

                                           

                                         Ақтөбе-2014

 

 

 

                                           Мазмұны

 

 

Кіріспе

1.Полимер материалдарының қасиеттері

1.1. Орташа молекулалық масса

1.2.Полимер беріктігі

1.3.Полимер электр өткізгіштігі

1.4.Полимердің жылу өткізгіштігі

2.Полимер негізінде Жоғары Молекулалық Қосылыстар

3.Полимерлі материалдардың өндірісте қолданылуы

4.Полимерлерді синтездеу әдістері

4.1.Полимерлену реакциясы

4.2.Поликонденсация реакциясы

5. Полимерлі материалдар өндірістерінің даму тарихы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                               

                                                   КІРІСПЕ

 

Полимерлер дегеніміз – құрамы бірнеше рет қайталанатын бірдей мономер буындарынан тұратын ұзын молекулалардан құрылған молекулалық массасы үлкен заттар.

Полимердің молекуласының өлшемі полимерлену дәрежесімен n, яғни тізбектегі буындар санымен анықталады. Егер n=10…20, зат жеңіл май түрінде болады. Тұтқырлықтың жоғарылауымен зат балауызды бола бастайды, n=1000 жеткенде қатты полимер пайда болады. Полимерлену дәрежесі шексіз: ол 104 – ке тең  болуы мүмкін, және бұл жағдайда молекуланың ұзындығы микрометрге жетеді. Полимердің молекулярлық массасы  полимерлену дәрежесі мен мономердің молекулярлық массасының туындысына тең. Әдетте ол 103… 3*105 аралығында болады. Молекуланың сонша үлкен ұзындығы оның дұрыс орамасына кедергі келтіреді және полимердің құрылысын аморфтыдан ішінара кристалдыққа дейін өзгертеді. Едәуір мөлшерде кристалданудың шамасы геометриялық тізбекпен анықталады. Неғұрлым тізбек жақын жинақталса, соғұрлым кристалданған полимер пайда болады. Тіпті жақсы жағдайда кристалдау жетілмеген.

Аморфты полимерлер  тек қана олардың табиғатынан ғана емес, тізбектердің ұзындығынан да тәуелді температуралар ауқымында балқиды; кристалдылар балқу нүктесіне ие болады.

Шығу тегіне қарай полимерлер үш топқа жіктеледі.

Табиғи полимерлер өсімдіктер мен жануарлардың тіршілік әрекетінің нәтижесінде пайда болады және ағашта, жүнде, теріде болады. Бұл протеин, целлюлоза, крахмал, шеллак, лигнин, латекс.

Әдетте табиғи полимерлер тазартудың бөліну, негізгі тізбектің құрылысы өзгеріссіз қалатын түрлену операцияларына ұшырайды. Мұндай өңдеудің өнімі жасанды полимерлер болып табылады. Мысалы эластикалық қасиетті жоғарылату үшін камфорамен пластифицирленген, нитроцеллюлоза болып табылатын целлулоид, латекстен дайындалған табиғи каучук жатады.

Табиғи және жасанды полимерлер қазіргі техникада үлкен маңызға ие болды, ал кейбір салаларда, мысалы, целлюлоза – қағаз өнеркәсібінде  әлі кунге дейін өз құндылығын жойған жоқ. Дегенмен өндірістің және органикалық материалдарды тұтынудің күрт артуы табиғатта аналогтары кездеспейтін, төмен молекулалық қосылыстардың синтезінде алынатын синтетикалық полимер – материалдардың негізінде пайда болды. Жоғары молекулалық заттардың химиялық технологияның дамуы — қазiргi ҒТҚ — тың ажырамас және маңызды бөлiгi. Техниканың бірде бір саласы, әсіресе жаңа техника полимерсіз елестетілмейді. Полимерлер химиялық құрылысы бойынша тармақталған, сызықты, торлы, кеңістікті болып жіктеледі. Сызықты полимерлердің молекулалары бір – біріне қатысты химиялық инертті және бір- бірімен Ван – Дер – Ваальс күшімен байланысқан. Қыздырғанда мұндай полимерлердің тұтқырлығы  төмендейді және олар бастапқыда жоғары эластикалық, содан соң тұтқыр – ағыны күйіне өтуге қабілетті.  Қыздырудың негізгі салдары болып иілгіштіктің өзгерісі  табылады, сызықты полимерлерді термопластикалық деп атайды. «Сызықты» термині тік сызықты дегенді білдіреді деп ойлау дұрыс емес, керісінше, олар үшін мұндай полимерлерге механикалық беріктік беретін тісті және спиральды конфигурация тән.

1.Полимер материалдарының  қасиеттері

Полимерлі материалдардың ерекше қасиеттері:  Тығыздығы төмен, беріктілік көрсеткіштері жоғары материал.  агрессиялық ортаға, атмосфералық және радиациялық әсерлерге төзімді;  радио- және электротехникалық касиеттері жоғары, сонымен бipre диэлектрлік көрсеткіштері температура мен электр өрісінің жиілігіне аз тәуелді;  арнайы оптикалық қасиеттерге ие: толқын ұзындықтарының кең аймағында жарық, сонымен бipгe ультракүлгін сәулесін өткізу қасиеті (Мысалы, полиметилметакрилат 70% пайыз өткізетін болса, силикат шынысы небәрі 1-3% өткізеді).  физика-механикалық қасиеттерінің кеңдігі (каттыдан серпімді резеңке тектес материалдарға дейін) және 6ip материалда карама-қарсы касиеттерді біріктіру, мысалы қаттылық пен иілгіштік («брондалған» полимерлер).

Жоғары молекулалы қосылыстардың жалпы ортақ қасиеттері болады. Бірақ оны классикалық үлгідегі химия тұрғысынан түсіндіру қиын. Сондықтан полимерлердің қасиеттерін қарастыру үшін тиісті жаңа түсініктерді енгізуге тура келеді.

Полимерлердің молекулалық массасы әр түрлі және құрылымының айрықша сипаты болуына байланысты, олардың қасиеттерінің кіші молекулалы заттардың қасиеттерінен айтарлықтай өзгешелігі болады. Кіші молекулалы заттар, әдетте, өздеріне тән балқу, қайнау температураларымен және басқа да тұрақты шамалармен, яғни константалармен сипатталады.

Жоғары молекулалы қосылыстардың бірінші ерекшелігі — мүлде жаңа орташа молекулалық масса түсінігінің болуы. Кіші молекулалы заттар қасиеттерінің тұрақты болуы, олардың молекулалық массаларының тұрақтылығында, ал жоғары молекулалы қосылыстардың молекулалық массасы құрылым буындарының санына байланысты өзгеріп отырады. Осыған сәйкес қасиеттері де елеулі түрде өзгереді. Ұзындықтары әр түрлі, бірақ бірдей химиялық буындардан тұратын макромолекулалар полимергомологтар деп аталады.

Жоғары молекулалы қосылыстардың молекулалық массалары үлкен болған сайын әр түрлі полимерлердің қасиеттеріндегі айырмашылықтар да азая береді, тіпті жеке зат ретінде айырмасы болмай қалады. Сондықтан полимергомологтарды жеке химиялық зат ретінде бөлу әдісі жоқ деуге болады. Полимергомологтардың қоспасын молекулалық массалары бір-біріне жуық шамадағы фракцияларға бөліп қарастырады.

ПМ кемшіліктері:  жылуға төзімділіктері төмен (фторопластар мен кремнийорганикалық полимерлерден басқаларында бұл қасиет 120 °С-дан төмен);  қаттылығы төмен (6-60 кг/мм2);  жорғалау және кернеу релаксациясы;  жоғары жылулық кеңею;  жылу өткізуді қиындататын төмен жылуөткізгіштік (металдардың жылуөткізгіштігінен 500-600 есе төмен);  биологиялық ыдырауға ұшырамайтындығына байланысты экологиялық мәселелерді шешу қажет.

1.1. Орташа молекулалық  масса

Осыдан жоғары молекулалы қосылыстардың молекулалық массасы орташа статикалық шама ретінде қарастырылып, орташа молекулалық масса түсінігі енгізілген. Молекулалық масса жөніндегі жаңа түсініктің мәні химиялық қосылысты сипаттауға жеткіліксіз. Себебі полимердің массасы өзгерген сайын өзіне тән физикалық қасиеттеріне орай маңызды көрсеткіштері мәнін жоғалтады. Сондай-ақ орташа молекулалық масса бірдей болғанымен, полимергомологтар қоспасындағы әрбір полимердің сандық қатынастары да қасиеттердің әр түрлі болуына апарады. Полимергомологтар қоспасындағы жеке полимерлердің таралу мөлшерін полидисперстік дәрежесімен сипаттайды.

Жоғары молекулалы қосылыстардың молекулалық массасы өскен сайын физикалық қасиеттерінің өзгеруіндегі тағы бір ерекшелік — оларды қыздырғанда, ерекше булану құбылысы (ұшқыштығы) байқалмайды. Одан әрі қыздыра берсе, белгілі бір температурада термиялық айырылу процесі жүреді. Жоғары молекулалы қосылыстар — мүлде ұшпайтын, газ күйіне ауыспайтын заттар.

Кіші молекулалы қосылыстар үш түрлі: газ, сұйық, қатты агрегаттық күйде бола алады, ал жоғары молекулалы қосылыстар үшін екі түрлі күй ғана белгілі — қатты және сұйық.

Полимерлерді қыздырғанда болатын өзгерістер олардың құрылым ерекшеліктеріне де байланысты болады.

Қыздырғанда байқалатын өзгерістеріне байланысты полимерлік материалдар термопласты және термореактивті деп бөлінеді.

Полимерлер көпшілік жағдайда ерімейді. Алайла түзу құрылымды полимерлерді кейбір ерекшеліктерінде аздап болса да ерітуге болады.

Бұл ерітінділер өте тұтқыр болады. Ал кеңістіктік полимерлер ерімейді. Кейбіреулері, мысалы, резеңке еріткіштерде тек қана ісінеді. Тармақты полимерлердің химиялық құрамы, молекулалық массалары бірдей болғанымен, сызықтық полимерлерге қарағанда ерігіштігі жоғары болады. Оның себебі, сызықтық полимерлерде байланыстардың екі түрлі типі (химиялық валенттік байланыстар және молекулааралық химиялық байланыстар) өзара әсерлесу нәтижесінде энергетикалық сипаттамасының әр түрлі болуы, еру мен балқу мүмкіндігін анықтайды. Торлы құрылымды полимерлердің макромолекулалары арасында берік химиялық байланыс болатындықтан, еріткіштерде ерімейді, тек ісінеді.

1.2.Полимер беріктігі

Полимердің келесі маңызды қасиеті — олар механикалық берік келеді, әсіресе кеңістіктік құрылымды полимерлер ерекше берік болады. Беріктік қасиет полимерлердің тармақталу дәрежесі мен типіне байланысты. Тіпті молекулааралық байланыстар үлкейген сайын заттың қаттылығы да арта түседі, серпімділік модулі артып, салыстырмалы деформациялығы азаяды. Торлы құрылымды (кеңістіктік) полимердің қасиеттері алмаз тәрізді кристалл заттардың қасиеттеріне жақындайды. Сонымен полимерлердің беріктігіне әсер ететін факторлар қатарына молекулалық массасы, табиғаты, макро-молекулалардың бағдарлануы, құрылымдарының сипаты, тізбектерінің тігілу дәрежесі және т.б. жатады.

Қандай да бір заттың балқуы, буға айналуы немесе еріп кетуі үшін қыздыру арқылы немесе еріткіштің әсерімен оның молекулалары арасындағы өзара тартылыс күшін жеңу керек. Кіші молекулалы заттардың молекулалары арасындағы өзара тартылыс күші оншалықты мықты болмайды. Сондықтан олардың молекулаларын бір-бірінен ажыратып бөлу қиынға соқпайды. Ал үлкен молекулалы заттардың молекулаларының өзара әсері анағұрлым күшті, өйткені олар толып жатқан бунақтары арқылы бірін-бірі тартып тұрады. Сондықтан ондай молекулалы затты буға айналдыру немесе балқыту үшін едәуір қыздыру керек. Сонда кейбір заттардың молекулаларындағы атомдар арасындағы байланыстар үзіле бастап, зат айырылады. Ондай макромолекулаларды еріткіш молекулаларының әсері арқылы ыдырату мүмкін емес.

Сызықтық құрылымды полимер мен кеңістіктік құрылымды полимерлердің қасиеттеріндегі айырмашылық каучук пен резеңке қасиеттерінен айқын байқалады. Сызықтық құрылымды молекулалардан құралған, вулканизацияланбаған каучук сұйық көмір-сутектерде ериді және механикалық беріктігі онша жоғары болмайды. Ондай каучукты созып тартса, үзіліп кетеді. Ал сызықтық молекулалардың арасы күкірт атомдары арқылы қосылған вулканизацияланған каучук (резеңке) еріткіштерде ерімей, тек ісінеді және бұлар едәуір берік болады.

1.3.Полимер электр өткізгіштігі

Полимердің электр өткізгіштігі, әдетте, өте нашар. Олардың электрлік қасиетіне оған электр өрісін бергенде көрсететін қасиеттері сияқты диэлектриктер, жартылай өткізгіштер және электр өткізгіштер болып бөлінеді.

Көптеген полюсті және полюссіз полимерлер диэлектриктерге жатады. Диэлектриктерге өте ұсақталған электр өткізгіш толтырғыштар (техникалық көміртек-графит, ұсақталған металдар) енгізілсе, электр өткізгіш материалдар алынады.

Жартылай өткізгіштерге қосарланған байланысы бар және заряд тасымалы бар кешенді жүйелер жатады.

Полимерлердің электрлік қасиеттеріне электр өткізгіштік, электрлік беріктілік, диэлектрлік шығын, диэлектрлік өтімділік, электр-реттік эффект, термополюссіздену жатады. Осындай қасиеттеріне байланысты полимер материалдар техниканың маңызды салаларында қолданылады.

1.4.Полимердің жылу өткізгіштігі

Полимерлердің жылу өткізгіштігі нашар. Жылуөткізгіштік дегеніміз — жылудың полимердің жылырақ бөлігінен суығырақ жеріне тасымалдануынан температураның теңесу процесі.

Полимерлердің қолдану аясын кеңейте түсуге мүмкіндік беретін қасиеттерінің қатарына жеңілдігін, химиялық тұрақтылығын, әсемдігін және т.б. жатқызуға болады.

Қазіргі кезеңде жобаланған қасиеттері бар синтездік полимер материалдар алу үшін ғылыми негізделген өңдеу тәсілдері қажет, яғни полимерлердің беріктігін арттыратын, морттығын төмендететін, созылғыштығын жоғарылататын молекуланың қолайлы құрылымын қалыптастыру тәсілдері қажет. Полимерлердің қызмет ету мерзімін арттыру үшін оларға жылу төзімділігін, динамикалық беріктігін және т.б. негізгі қасиеттерін арттыратын арнайы қоспалар қосады.

Полимерлердің маңызы зор. Сондықтан оларды өндіру мен тиімді пайдалану — халық шаруашылығын дамытудағы негізгі бағыттардың бірі.

2.Полимер негізінде Жоғары  Молекулалық Қосылыстар

Жоғары молекулалы қосылыстарды қысқаша ЖМҚ деп стандартты атауға немесе "полимерлер" деуге болады. Полимерлер (грек. "поли"—көп, "мерос"—бөлшек) ондаған және жүздеген мың, кейде миллиондаған атомдардан тұратын үлкен молекулалар.

Атомдар санының өзгеруіне қарай макромолекулалардың сапалық қасиеттерінде де ерекшеліктері болады. Химиялық таза полимерлердің макромолекулалары қайталанып отыратын құрылым буындарынан құралады.

Құрылым буындарының саны полимерлену дәрежесі – n деп аталады, оның сан мәні 1000-нан 1 млн-ға жуық болуы мүмкін. Іс жүзінде кез келген полимерлер — құрамы және химиялық құрылысы бірдей, тек құрылым буын саны әр түрлі бірнеше макромолекуланың қоспасы. Егер құрылым буындары әр түрлі болса, онда сополимер деп атайды.

Полимер синтезделетін кіші молекулалы зат мономер деп аталады. ЖМҚ кұрамының күрделілігі оның молекулалық массасының да өте үлкен болуын қамтамасыз етеді. "Үлкен", "кіші" деген сөздер салыстырмалы шартты түрде қолданылады. Сондықтан Мr < 500 болса, кіші молекулалы, Мг >5000 болса, жоғары молекулалы қосылыс деп саналады. Ал 500 < Мг<5000 болса, онда олигомер (грек. "олигос" — "көп емес, шамалы" деген мағынаны білдіреді) деп аталады. Бұлай бөлудің негізі молекула шектен тыс көп атомнан тұратын жағдайда олардың сандарының шамалы өзгеруі қасиеттеріне аса көп әсерін тигізбейді, кейде тіпті өзгермейді.