Учебное пособие для изучения теоретического курса студентами очной и заочной форм обучения icon

Учебное пособие для изучения теоретического курса студентами очной и заочной форм обучения


Смотрите также:
Учебное пособие предназначено для студентов очной и заочной форм обучения специальности 351400...
Учебно-методический комплекс. Рабочая учебная программа для студентов 3...
Учебное пособие Для студентов очной и заочной форм обучения по специальности 020400 «Психология»...
Учебно-методический комплекс. Рабочая учебная программа для студентов 3...
В гражданском судопроизводстве...
Конспект лекций по дисциплине “Экономика отрасли” для студентов спец. 060800 очной...
Философия Учебно-методическое пособие для студентов очной и заочной форм обучения Казань 2008...
Философия Учебно-методическое пособие для студентов очной и заочной форм обучения Казань 2008...
Методика выполнения и задания контрольных работ для студентов-заочников ускоренной формы...
Рабочая тетрадь...
Учебное пособие для самостоятельной работы для студентов дневной и заочной форм обучения...
Методические указания к курсовой работе по дисциплине «Стратегический менеджмент» для студентов...



Загрузка...
страницы:   1   2   3   4   5   6   7   8
скачать


Федеральное агентство по образованию

Уральский государственный лесотехнический университет

Кафедра технологии переработки пластических масс


Т.С. Выдрина


ПОЛИМЕРЫ И МЕТОДЫ

ИХ ИДЕНТИФИКАЦИИ


Учебное пособие

для изучения теоретического курса

студентами очной и заочной форм обучения

направления 250300 «Технология лесозаготовительных и деревообрабатывающих производств»


специальности 250303 «Технология деревообработки»

факультета МТД


Дисциплина «Методы идентификации полимеров»


Екатеринбург

2009

Методы идентификации полимеров: Учеб. Пособие/ Выдрина Т.С.; Урал. гос. лесотехн. ун-т. Екатеринбург, 2009, с. ISBN


Рассмотрены основные термины, понятия и определения, принятые в области химии высокомолекулярных соединений, Охарактеризованы основные свойства и отличительные признаки полимеров и олигомеров, используемых в деревообработке, и в частности, при производстве мебели. Описаны оперативные способы идентификации полимеров и олигомеров.


Табл. Илю Библиогр: 13 назв.


Печатается по рекомендации методической комиссии ИЭФ

Протокол № от .2008 г.


Рецензенты:

Доктор химических наук, ведущий научный сотрудник института органического синтеза им. И. Я. Постовского Уральского отделения АН РФ Филякова В.И.


Редактор …….

Оператор …….


Подписано в печать




Поз. ……

Плоская печать

Формат 60×84 1/16

Печ. л. ……

Заказ №

Тираж …… экз.

Цена … руб. … коп.


Редакционно-издательский отдел УГЛТУ

Отдел оперативной полиграфии УГЛТУ


ВВЕДЕНИЕ


Идентификация (от латинского identifico - отождествляю) – это установление соответствия распознаваемого предмета, объекта или материала своему известному образу, знаку, эталону. Иначе идентификация – это доказательство (или признание) тождественности (идентичности, одинаковости) распознаваемого предмета, объекта или материала и известного образа, знака или эталона, т.е. опознание неизвестного предмета, объекта или материала.

Применительно к полимерам идентификация полимеров (или олигомеров) – это установление тождества распознаваемого полимера (или олигомера) с известным соединением по достаточному числу признаков.


Для идентификации полимеров требуется определить большее количество признаков и параметров, чем при идентификации низкомолекулярных соединений (НМС) 1,2.

Для полной идентификации полимеров необходимо установить:

  • Химический состав

  • Молекулярную массу и полидисперсность

  • Характер функциональных концевых и боковых групп макромолекул

  • Пространственное строение макромолекул (конфигурацию цепей)

  • Характер присоединения звеньев в цепях макромолекул

  • Доказать принадлежность к высокомолекулярным соединениям и т.д.


Цель дисциплины:

    1. Дать общие представления о полимерах и олигомерах

    2. Раскрыть специфические признаки и свойства полимеров и олигомеров, применяемых в деревообработке

    3. Познакомить с основными методами исследования полимеров и олигомеров, которые используются для идентификации

    4. Привить простейшие навыки практического распознавания полимеров и олигомеров




  1. ^ СОСТОЯНИЕ ПРОИЗВОДСТВА ПОЛИМЕРОВ

И МАТЕРИАЛОВ НА ИХ ОСНОВЕ


Объем производства полимерных материалов в 2005 году (синтетических смол, пластмасс и природных полимеров) составил ~225 млн. т.

Из общего объема полимерных материалов 1/3 выпускается в Северной Америке, 1/3 - в Западной и Восточной Европе, 1/4 - в Азии. В Европе лидер по производству пластмасс – Германия; на ее долю приходится 17,5 млн т в год.

По общему объему производства материалы на основе ВМС превосходят объем производства черных металлов.

Важнейшим показателем уровня развития промышленности является обеспеченность продукцией на душу населения. Потребление пластмасс и синтетических смол на душу населения в конце 90-тых годов составлял (кг/год) :


Бельгия и Нидерланды

Германия

США

Япония

> 200

~ 148

104

95


Из общего объема производства полимерных материалов в развитых странах 70-85 % приходится на термопласты и 15-30 % - на реактопласты.


Объемы производства полимерных материалов убывают в следующем порядке:

  • Полиолефины (полиэтилен ПЭ, полипропилен ПП, их сополимеры )

  • Поливинилхлорид и его сополимеры

  • Полистирол и его сополимеры

  • Фенопласты (в том числе фенолоформальдегидные смолы)

  • Аминопласты (в том числе карбамидоформальдегидные смолы)

  • Полиуретаны, в т.ч. пенополиуретаны

  • Алкидные смолы (глифтали и пентафтали)

  • Полиэфиры сложные и ненасыщенные

  • Полиметилметакрилат и СПЛ акриловых эфиров

  • Пластмассы на основе эфиров целлюлозы

  • Прочие полимеры и олигомеры


*Представители полимеров и олигомеров, выделенные курсивом, широко применяются в деревообработке.


В России в 2002-2003 гг. структура производства основных полимеров сложилась следующая (таблица 1):


Таблица 1.

Структура производства полимеров в России

Пластмассы

Доля полимера в общем объеме производства, %

-    полиэтилен

34,8

-    поливинилхлорид и сополимеры винилхлорида

18,3

-    полипропилен

9,1

-    полистирол и сополимеры стирола

3,8

-    прочие

34,0


В составе древесины большая часть соединений также являются высокомолекулярными соединениями (смотри схему ниже).





Целлюлоза- линейный стереорегулярный, полярный гетероцепной (в цепи пиисутствуют атомы разных элементов С и О) гомополисахарид, содержащий один тип составного повторяющегося звена (СПЗ):

Средняя степень полимеризации n древесной целлюлозы = 5000-10000, хлопковой - до 15000. Макромолекулы плотно уложены в фибриллы (пучки), образуя плотную кристаллическую фазу (степень кристалличности ~ 70%) Плохо растворяется, трудно гидролизуется. Между макромолекулами целлюлозы и других компоненетов древесины за счет водородных связей - О - Н . . . О - возникает прочное межмолекулярное взаимодействие, что наряду с химическими связями, кристаллической структурой обусловливает достаточно высокую прочность древесины.

Гемицеллюлозы: преимущественно смешанные ( гетеро) полисахариды, содержащие составные звенья различных моносахаров: Д-маннозы, Д-галактозы, Д-ксилозы, L-арабинозы и др. Это полярные, преимущественно разветвленные, нерегулярные, аморфные, легкогидролизуемые полимеры. Средняя степень полимеризации n = 50 - 600. Растворимость гемицеллюлоз выше, чем у целлюлозы.

Лигнин: нерегулярный гетероцепной кислородсодержащий смешанный, полярный полимер. Макромолекулы состоят из различных составных звеньев СЗ, которые в пропановых цепочках содержат гидроксильные (­­­-ОН), карбонильные (-С=О), карбоксильные (-СООН) группы, а также имеют фенольные (С6Н4-ОН) и другие группы. Составные звенья соединены друг с другом в основном связями С-О-С ( , -О-4) и С-С ( 5-5). Лигнин - сильно разветвленный, частично сшитый аморфный полимер (смотри строение фрагмента лигнина на схеме ниже). Он практически не растворим в большинстве органических растворителей, переходит в раствор при нагревании в разбавленных кислотах. Макромолекулы лигнина химически связаны с макромолекулами гемицеллюлоз. Лигнин придает древесине прочность.

Все высокомолекулярные компоненты древесины - полярные полимеры и содержат значительное количество гидроксильных -ОН, метилольных -СН2ОН, простых эфирных -С-О-С- и других полярных групп.

Хорошими адгезивами (клеями) и лакокрасочными материалами (ЛКМ) для древесины являются такие композиции, основу которых составляют полимеры или олигомеры, также содержащие полярные группы (--ОН, -СН2ОН, -СООR, -СО-NН- , -С-О-С- и др). Благодаря возникновению химических и физических связей между полярными группами макромолекул компонентов древесины и молекулами олигомеров и полимеров в составе клеев и ЛКМ между древесной подложкой и клеевым или ЛКМ образуется прочная адгезионная связь.




В последние годы полимерные материалы используются в основном в следующих отраслях:

%

В качестве упаковочных материалов.................................... 37 - 40

В строительстве...................................................................... 20

В автомобилестроении.......................................................... 7,5

Остальные области применения………………………….. ~32 -33


К сожалению, растут и отходы полимеров. Например, в Западной Европе они составляют ~ 22,4 млн т/год, но в среднем 53 % этих отходов в Европе перерабатывается. В частности, в Германии перерабатывают 76 % отходов, а в Великобритании – 28% отходов.

Закономерно возникает вопрос, почему и благодаря каким свойствам полимеры и материалы на их основе так широко внедрились в нашу жизнь?

Ответ кроется в следующих достоинствах и преимуществах полимеров и полимерных материалов (таблица 2)

Таблица 2.

Отличительные свойства полимеров и материалов на их основе 3-10

Положительное свойство полимерного материала

Значение свойства в сравнении




Полимерный материал

Металл

1

2

3

1. Малая плотность (d) большинства крупнотоннажных полимеров, d, кг/м3


910-1700

Медь (Cu) 8960

2. Хорошие электроизоляционные свойства, а именно, высокое удельное объемное электрическое сопротивление, , омсм

 ПЭ = 1017 - 1018

 ПВХ = 1011 - 1016

 ПС= 1018 - 1019


 меди (Сu) 1,55106


3. Высокие тепло-, звукоизоляционные свойства, а именно, низкий коэффициент теплопроводности ,

Вт/ (мК)

 целлюлозы = 0,057

 пенопластов на основе полистирола = 0,025-0,04

 ПЭНД = 0,42 - 0,44


 Сu = 465,2

4. Хорошая химическая, радиационная, водо-, и атмосферостойкость

По пятибалльной шкале у политетрафторэтилена (ПТФЭ, иначе фторопласта) - 5 баллов. Срок эксплуатации - > 10 лет. Потеря прочности большинства разных марок фторопластов при выдержке в течение 1-6 мес при 20-1000С составляет 0-3 %.

Прочность ПЭ после 12 лет эксплуатации падает не более чем на 20-25%.

Корродируют в агрессивных средах, в воде и на воздухе

5. Высокая стойкость к действию микроорганизмов.

Разрушающее действие бактерий на полимеры начинается только после их деструкции под действием УФ-лучей, на что требуется от нескольких до десятков лет


-


Продолжение таблицы 2

1

2

3

6. Способность некоторых полимеров (эластомеров) проявлять большие и обратимые деформации (высокоэластичность), например, приобретать значительные относительные удлинения при растяжении, %


каучуков достигает 800-1000 %


металлов = сотые доли %

7. Способность формировать пленки и волокна из расплавов или растворов полимеров

Наиболее распространенные пленко- и волокнообразующие полимеры: полиэтилен (ПЭ), поливинилхлорид (ПВХ), полиамиды (ПА), полипропилен (ПП), поливиниловый спирт (ПВС), нитроцеллюлоза (НЦ) и др.


-

8, Хорошие клеящие свойства расплавов полимеров или растворов полярных полимеров. Высокий предел прочности отр.клеевого слоя при отрыве, МПа

отр. каучуков = 1,1 - 1,5

отр. отвержденных мочевиноформальдегидных олигомеров = 2,0 - 3,0

отр. отвержденных фенолоформальдегидных олигомеров = 13 -14

отр., полиуретанов, полиамидов = 20 - 30

отр. эпоксидных смол = 40 - 60



-

9. Возможность и легкость изготовления изделий разнообразной формы и красивого внешнего вида, с глянцевой поверхностью, хорошо окрашивающиеся и т.д.

Наиболее подходящие полимеры для этих целей: полипропилен (ПП), полистирол (ПС), полиэтилен (ПЭ), поливинилхлорид (ПВХ), эфиры целлюлозы и др.

Изготовление изделий трудоемко.


С учетом перечисленных и других свойств, а также в соответствии с целевым (функциональным) назначением все полимерные материалы в настоящее время эксплуатируют в основном в 5-х направлениях:

- в качестве конструкционных пластиков, выдерживающих большие механические нагрузки;

- в качестве эластомеров, способных легко и обратимо деформироваться;

- в виде волокон, нитей и изделий на их основе (ткани, канаты, сети и т.д)

- в качестве клеевых, лакокрасочных и других защитных и декоративных покрытий;

- для изготовления полимерных композиционных материалов.


^ Контрольные вопросы к разделу 1


  1. Какие отличительные свойства полимеров и олигомеров обусловили их широкое применение?

  2. Назовите высокомолекулярные соединения, входящие в состав древесины.




  1. ^ ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ В ОБЛАСТИ

ХИМИИ И ФИЗИКИ ПОЛИМЕРОВ


Высокомолекулярные соединения (ВМС) – это вещества, состоящие из молекул больших размеров и большой молекулярной массы. Масса молекул ВМС может достигать нескольких миллионов г/моль (или относительных углеродных единиц у.е.) 3, 5-8

.

Высокомолекулярные соединения подразделяют на :

  • полимеры и

  • ВМС не полимерной природы.

Подавляющая часть ВМС является полимерами.


Комиссия по номенклатуре полимеров Международного союза по теоретической и прикладной химии (ИЮПАК) рекомендует следующее определение полимера.

Полимер (П)это вещество, состоящее из множества молекул большой молекулярной массы одинаковой химической природы. Каждая молекула полимера построена из многократно повторяющихся атомов или групп атомов (называемых составными звеньями), соединенных между собой химическими связями. Количество составных звеньев в молекулах полимеров таково (настолько велико), что формируется в целом комплекс свойств, который практически не изменяется при добавлении или удалении одного или нескольких составных звеньев 3.


Например, молекулы поливинилхлорида (ПВХ) имеют следующее строение



и содержат огромное количество многократно повторяющихся групп атомов


В составе молекул полимеров следует различать составные звенья (СЗ) и составные повторяющиеся звенья (СПЗ).

Составные звенья (СЗ) – это все возможные фрагменты, т.е. атомы или группы атомов, которые входят в состав цепи и многократно повторяются в ней.

В частности, в цепи молекулы поливинилхлорида составными звеньями являются следующие группы атомов, представленные ниже:




Однако полностью отразить химическую природу данного полимера и описать структуру полимерной цепи можно только путем повторения звеньев типа СЗ-3.





Такие звенья называют составными повторяющимися звеньями (СПЗ).

Таким образом, составное повторяющееся звено (СПЗ) - это наименьшее из возможных составных звеньев, которое многократно повторяется в цепи молекулы полимера и с помощью которого можно полностью описать строение регулярного полимера.

Масса молекул различных полимеров колеблется в пределах от 104 до 106 относительных углеродных единиц (у.е.). В частности, у наиболее крупнотоннажных полимеров она равна 4:

Полимер

Полиэтилен (ПЭ)

Поливинихлорид (ПВХ)

Полистирол (ПС)

Молекулярная масса, у.е.

30÷500 тыс

40 ÷150 тыс.

70 ÷100 тыс.


В отличие от полимеров высокомолекулярные соединения не полимерной природы тоже представляют собой вещества, состоящие из больших молекул, но в их структуре нет многократного повторения одинаковых составных звеньев. К этой группе ВМС относятся некоторые белки, китайский и турецкий танин. Китайский танин представляет собой смесь эфиров целлюлозы и галловых кислот.

Принципиальную структуру полимеров чаще всего изображают путем заключения повторяющейся группы атомов (СПЗ) в квадратные скобки:



Поливинилхлорид Полиэтилен Поливинилацетат Полистирол Динитроцеллюлоза

.

или путем указания ветвей цепи по обе стороны от СПЗ:



Полиметилметакрилат Полиакрилонитрил Полиамид ПА-66


Индекс n после квадратных скобок отражает количество СПЗ в молекулах полимера и называется степенью полимеризации.

Отличительная особенность полимеров в том, что в ходе синтеза вследствие различных реакций обрыва и передачи цепи, получаются молекулы разной длины и разной молекулярной массы. Поэтому, характеризуя полимер, всегда имеют в виду усредненную молекулярную массу ММ и усредненную степень полимеризации. n . Эти показатели связаны между собой соотношением:

ММ =n  МСПЗ,

где МСПЗ – масса составного повторяющегося звена.


Помимо полимеров, большое практическое значение в деревообработке имеют вещества, называемые олигомерами.

Олигомер (О) – это вещество, состоящее из смеси молекул индивидуальных соединений одинаковой химической природы и невысокой молекулярной массы. Каждая молекула олигомера содержит небольшое количество повторяющихся атомов или групп атомов, т.е. составных звеньев. В отличие от полимеров, количество составных звеньев (СЗ) таково, что при добавлении или удалении одного или нескольких СЗ, комплекс физических свойств олигомера заметно изменяется 3.

Олигомеры – это промежуточные соединения между группой низкомолекулярных веществ (НМС) и группой высокомолекулярных соединений (ВМС).

Четкой границы между НМС и олигомерами, а также между олигомерами и полимерами нет, но обычно молекулярная масса (ММ), их такова (в г/моль или в относительных углеродных единицах, у.е.):

  • У НМС - 101÷102

  • У олигомеров - 102÷103

  • У полимеров - 5103 ММ106


Жидкие или пастообразные термореактивные олигомеры, обычно обладающие клеящими свойствами и способные при переработке превращаться в твердые, неплавкие и нерастворимые продукты, в настоящее время называют синтетическими смолами 3,5,11.

Обычно при значении степени полимеризации n 100 олигомер приобретает свойства, характерные для высокомолекулярного полимера.


Типичными представителями олигомеров (смол) являются:

  • ^ Карбамидоформальдегдные олигомеры (смолы) (КФО, КФС)

Их молекулярная масса составляет от 200 до 400 у.е.


  • Фенолоформальдегидные олигомеры ФФО (смолы) (ФФО, ФФС)



ФФО получают в промышленности резольного и новолачного типа. Молекулярная масса ФФО выше, чем у КФО и колеблется от 400 до 1000 у.е.


По своему происхождению (способу образования) все полимеры подразделяются на:

  • Природные

  • Искусственные

  • Синтетические.

Природные полимеры образуются независимо от деятельности человека в результате реакций фото- и биосинтеза под влиянием УФ-лучей и ферментов (коэнзимов) из простейших соединений, таких как углекислый газ, вода, аммиак и др.

Самыми распространенными природными полимерами являются компоненты древесины: целлюлоза, лигнин, гемицеллюлозы,.а также крахмал, белки (казеин, глобулин, инсулин, лецитин, альбумин), натуральный каучук (полиизопреновый), полиоксид кремния (SiO2)n, полиоксид алюминия, алюмосиликаты, входящие в глинистые материалы, графит, алмаз, красный фосфор и др.

Искусственные полимеры получают на основе природных путем их химической модификации (обработкой кислотами, спиртами, щелочами, ангидридами кислот, солями и др. соединениями). К искусственным полимерам относятся все производные целлюлозы: нитроцеллюлоза (коллоксилины и пироксилин), метилцеллюлоза-, этилцеллюлоза-, карбоксиметилцеллюлоза, ацетаты целлюлозы, гидратцеллюлоза и др.

^ Большая часть эксплуатируемых в настоящее полимеров являются синтетическими.

Синтетические полимеры получают различными методами синтеза из простейших низкомолекулярных соединений, которые называются мономерами.

Мономер – это низкомолекулярное вещество, состоящее из таких молекул, каждая из которых способна многократно соединяться друг с другом в результате химических реакций синтеза и вследствие этого способна образовывать одно или несколько составных звеньев в молекулах образующегося полимера.

Схематично процесс превращения большого количества молекул мономера в длинные молекулы полимера представляют следующим образом:

n M --[-M-] n




Скачать 1.27 Mb.
оставить комментарий
страница1/8
Дата28.09.2011
Размер1.27 Mb.
ТипУчебное пособие, Образовательные материалы
Добавить документ в свой блог или на сайт

страницы:   1   2   3   4   5   6   7   8
отлично
  2
Ваша оценка:
Разместите кнопку на своём сайте или блоге:
rudocs.exdat.com

Загрузка...
База данных защищена авторским правом ©exdat 2000-2017
При копировании материала укажите ссылку
обратиться к администрации
Анализ
Справочники
Сценарии
Рефераты
Курсовые работы
Авторефераты
Программы
Методички
Документы
Понятия

опубликовать
Загрузка...
Документы

Рейтинг@Mail.ru
наверх