Применение полимеров непредельных и ароматических углеводородов в строительной индустрии (полистирол)

Министерство  образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное  учреждение

высшего профессионального  образования

«Магнитогорский государственный технический университет

имени Г.И.Носова»                                                                                        Кафедра химии, технологии упаковочных производств

Реферат

на тему:

 

«Применение полимеров  непредельных и ароматических углеводородов  в строительной индустрии (полистирол)».

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил:

 Сайпашев Роман Станиславович

 студент группы ТСАБ-12

Проверила:

Медяник Надежда Леонидовна

 заведующая кафедрой ХТУП,

 доцент, кандидат технических наук

 

Магнитогорск

2013

Содержание

 

Введение 3

Общая характеристика и классификация полимеров. 3

Структура полистирола. 6

Описание полистирола. 7

Применение в промышленности. 9

Заключение. 13

Список литературы 14

               

 

 

Введение                                                                                                                          Общая характеристика и классификация полимеров

Полимером называется органическое вещество, длинные молекулы которого построены из одинаковых многократно  повторяющихся звеньев – мономеров. По происхождению полимеры делятся на три группы: синтетические полимеры (искусственные), природные органические и природные неорганические полимеры.

Природные и искусственные  полимеры сыграли большую роль в  современной технике, а в некоторых  областях остаются незаменимыми и до сих пор, например в целлюлозно-бумажной промышленности. Однако резкий рост производства и потребления органических материалов произошел за счет синтетических  полимеров - материалов, полученных синтезом из низкомолекулярных веществ и  не имеющих аналогов в природе. Развитие химической технологии высокомолекулярных веществ - неотъемлемая и существенная часть современной НТР. Без полимеров  уже не может обойтись ни одна отрасль  техники, тем более новой.

В настоящее время широко применяется большое число различных  полимеров.

Углеводоро́ды — органические соединения, состоящие исключительно из атомов углерода и водорода. Углеводороды считаются базовыми соединениями органической химии, все остальные органические соединения рассматривают как их производные.

Поскольку углерод имеет  четыре валентных электрона, а водород  — один, простейший углеводород  — метан (CH4).

При систематизации углеводородов  принимают во внимание строение углеродного  скелета и тип связей, соединяющих  атомы углерода. В зависимости  от топологии строения углеродного  скелета углеводороды подразделяют на ациклические и карбоциклические. В зависимости от кратности углерод-углеродных связей углеводороды подразделяют на предельные (алканы) и непредельные (алкены, алкины, диены). Циклические углеводороды разделяют на алициклические и ароматические.

Ароматические углеводороды: Бензол  • Толуол  • Диметилбензолы  • Этилбензол  • Пропилбензол  • Кумол • Стирол  • Фенилацетилен  • Индан  • Циклобутадиен  • Дифенил • Дифенилметан  • Трифенилметан  •Тетрафенилметан. 

Размер молекулы полимера определяется степенью полимеризации  n, т.е. числом звеньев в цепи. Если n= от 10 до 20, вещества представляют собой легкие масла. С возрастанием n увеличивается вязкость, вещество становится воскообразным, наконец, при n=1000 образуется твердый полимер. Степень полимеризации неограниченна: она может быть 104, и тогда длина молекул достигает микрометров. Молекулярная масса полимера равна произведению молекулярной массы мономера и степени полимеризации. Обычно она находится в пределах от 103 до 3Ч105. Столь большая длина молекул препятствует их правильной упаковке, и структура полимеров варьирует от аморфной до частично кристаллической. Доля кристалличности в значительной мере определяется геометрией цепей. Чем ближе укладываются цепи, тем более кристалличным полимер становится. Кристалличность даже в лучшем случае оказывается несовершенной [1].

Аморфные полимеры плавятся в диапазоне температур, зависящем  не только от их природы, но и от длины  цепей; кристаллические имеют точку  плавления.

По происхождению полимеры делятся на три группы: синтетические  полимеры (искусственные), природные  органические и природные неорганические полимеры.

 Синтетические полимеры  получаются путем ступенчатой  или цепной полимеризации низкомолекулярных  полимеров. 

Природные неорганические полимеры – это например расплав магмы, оксид кремния.

Природные органические полимеры образуются в результате жизнедеятельности  растений и животных и содержатся в древесине, шерсти, коже. Это протеин, целлюлоза, крахмал, шеллак, лигнин, латекс.

Обычно природные полимеры подвергаются операциям выделения  очистки, модификации, при которых  структура основных цепей остается неизменной. Продуктом такой переработки  являются искусственные полимеры. Примерами  являются натуральный каучук, изготовляемый  из латекса, целлулоид, представляющий собой нитроцеллюлозу, пластифицированную камфарой для повышения эластичности.

Развитие химической технологии высокомолекулярных веществ – неотъемлемая и существенная часть современной  НТР. Без полимеров уже не может  обойтись ни одна отрасль техники, тем  более новой. По химической структуре  полимеры делятся на линейные, разветвленные, сетчатые и пространственные. Молекулы линейных полимеров химически инертны по отношению друг к другу и связаны между собой лишь силами Ван-дер-Ваальса. При нагревании вязкость таких полимеров уменьшается и они способны обратимо переходить сначала в высокоэластическое, а затем и в вязкотекучее состояния (рисунок 1). Поскольку единственным следствием нагрева является изменение пластичности, линейные полимеры называют термопластичными. Не следует думать, что термин «линейные» обозначает прямолинейные, наоборот, для них более характерна зубчатая или спиральная конфигурация, что придает таким полимерам механическую прочность.

 Термопластичные полимеры  можно не только плавить, но  и растворять, так как связи  Ван-дер-Ваальса легко рвутся  под действием реагентов.

 Разветвленные (привитые) полимеры более прочны, чем линейные. Контролируемое разветвление цепей  служит одним из основных промышленных  методов модификации свойств  термопластичных полимеров.

Рисунок 1 – Схематическая диаграмма  вязкости термопластичных полимеров  в зависимости от температуры: Т1 – температура перехода из стеклообразного в высоко эластичное состояние, Т2 – температура перехода из высокоэластичного в вязкотекучее состояние

 Сетчатая структура  характерна тем, что цепи связаны  друг с другом, а это сильно  ограничивает движение и приводит  к изменению как механических, так и химических свойств. Обычная  резина мягка, но при вулканизации  серой образуются ковалентные  связи типа S-ноль, и прочность  растет. Полимер может приобрести  сетчатую структуру и спонтанно,  например, под действием света  и кислорода произойдет старение  с потерей эластичности и рабо­тоспособности. Наконец, если молекулы полимера содержат реакционноспособные группы, то при нагревании они соединяются множеством поперечных прочных связей, полимер оказывается сшитым, т. е. приобретает пространственную структуру. Таким образом, нагрев вызывает реакции, резко и необратимо изменяющие свойства материала, который приобретает прочность и высокую вязкость, становится нерастворимым и неплавким. Вследствие большой реакционной способности молекул, проявляющейся при повышении температуры, такие полимеры называют термореактивными. Нетрудно представить, что их молекулы активны не только по отношению друг к другу, но и к поверхностям инородных тел. Поэтому термореактивные полимеры, в отличие от термопластичных, обладают высокой адгезионной способностью даже при низких температурах, что позволяет использовать их в качестве защитных покрытий, клеев и связующего в композиционных материалах.

 Термопластичные полимеры  получают по реакции полимеризации,  протекающей по схеме (рисунок 1).

Рисунок 1 – Реакции образования полимеров:    а) – полимеризация, б) – поликонденсация.

 При цепной полимеризации  молекулярная масса нарастает  почти мгновенно, промежуточные  продукты неустойчивы, реакция  чувствительна к присутствию  примесей и требует, как правило,  высоких давлений. Неудивительно,  что такой процесс в естественных  условиях невозможен, и все природные  полимеры образовались иным путем.  Современная химия создала новый  инструмент — реакцию полимеризации,  и благодаря ему большой класс термопластичных полимеров. Реакция полимеризации реализуется лишь в сложной аппаратуре специализированных производств, и термопластичные полимеры потребитель получает в готовом виде.

Структура полистирола

Первичные ламели имеют значительную поверхностную энергию, поэтому  происходит их агрегация, приводящая к  образованию монокресталов - более сложных надмолекулярных образований. При кристаллизации из расплава или концентрированного раствора полимера наиболее общего типа вторичного кристаллического образования является сферолит, имеющий кольцевую или сферическую форму и достигающую гигантских размеров до 1см. В радикальных или сферических сферолитах каркас формируется из ленточных, кристаллических образований направленных от центра к периферии.

Полученные обычным способом поливинилхлорид, поливинилфторид и полистирол обладают гораздо меньшей степенью кристалличности и имеют более низкие температуры плавления; у этих полимеров физические свойства сильно зависят от стереохимической конфигурации. Полистирол, полученный методом свободнорадикальной полимеризации в растворе, является атактическим. Этот термин означает, что если ориентировать углеродные атомы полимерной цепи, придав ей, правильную зигзагообразную форму, то фенильные боковые группы окажутся распределенными случайным образом по одну и по другую сторону вдоль цепи (как это показано на рисунке 4). При полимеризации стирола в присутствии катализатора Циглера образуется изотактический полистирол, отличающийся от атактиче-ского полимера тем, что в его цепях все фенильные группы расположены по одну или по другую сторону цепи.

Свойства атактического и изотактического полимеров различаются весьма существенно. Атактический полимер можно формовать при значительно более низких температурах, и он растворим в большинстве растворителей намного лучше изотактического. Существует много других типов стереорегулярных полимеров, один из которых назван синдиотактическим; в цепях этого полимера боковые группы расположены попеременно то по одну, то по другую сторону цепи, как это показано на рисунке 2.

Рисунок 2 – Конфигурации атактического, изотактического и синдиотактического полистирола.

Описание  полистирола.

Полистирол – термопластичный  аморфный полимер с формулой

[-СН2-С(С6Н5)Н-]n

  - структурная формула

 

Полистирол – прозрачное стеклообразное вещество, молекулярная масса 30-500 тыс., плотность 1,06 г/см3 (20 °С), температура стеклования 93°С.

Для полистирола характерно коптящее пламя с цветочным сладковатым  запахом (Этот запах корицы обычно можно  обнаружить, уколов исследуемый предмет  раскаленной иглой). Если к тому же предмет падает на пол с металлическим  звоном то, скорее всего полистирол [8].

Это твердое, упругое, бесцветное вещество. Фенильные группы препятствуют упорядоченному расположению макромолекул и формированию кристаллических образований. Это жесткий, аморфный полимер с невысокой механической прочностью при растяжении и изгибе. Полистирол имеет низкую плотность, низкую термическую стойкость, обладает отличными диэлектрическими свойствами и весьма низкой прочностью при ударе. Он легко деформируется при относительно невысоких температурах (80°C). При контакте с жирами выделяет мономер стирола. Для улучшения свойств полистирола его модифицируют различными сополимерами и подвергают сшиванию.

Полистирол – дешёвый  крупнотоннажный термопласт; характеризуется  высокой твёрдостью, хорошими диэлектрическими свойствами, влагостойкостью, легко  окрашивается и формуется, химически  стоек, растворяется в ароматически и хлорированных алифатических углеводородах. Лучшими эксплуатационными свойствами обладают различные сополимеры стирола. Так, повышения теплостойкости и прочности при растяжении (на ~ 60 процентов) достигают сополимеризацией стирола с акрилонитрилом или a-метилстиролом, повышения прочности и ударной вязкости (от 5-10 до 50-100 кДж/м2) – получением привитых сополимеров стирола с 5-10% каучука, например бутадиенового (ударопрочный полистирол), а также тройных сополимеров акрилонитрила, бутадиена и стирола (т. н. АБС-пластик). Заменой акрилонитрила на метилметакрилат синтезируют прозрачные тройные сополимеры.

Применение  в промышленности.

Существуют 2 основных вида полистирола: полистирол общего назначения (GPPS), ударопрочный полистирол.

Прозрачный полистирол –  неударопрочный материал. Используется в основном для внутреннего остекления, служит экономичной альтернативой оргстеклу.

Обладает повышенной ударопрочностью, благодаря добавкам из бутадиенового или других специальных каучуков, которые обладают ударной вязкостью до 60-70 кДж/м2. Его область применения довольна широка - наружная реклама, торговое оборудование, детали холодильников и так далие.