10.5: Конденсаційні полімери
- Page ID
- 20354
- Знайте різницю між додаванням та конденсаційною полімеризацією.
- Знати властивості та використання поширених синтетичних конденсаційних полімерів.
Велика кількість важливих і корисних полімерних матеріалів не утворюється шляхом додавання полімеризації, а протікають натомість звичайними функціональними груповими перетвореннями поліфункціональних реагентів. Ці полімеризації часто (але не завжди) відбуваються з втратою невеликого побічного продукту, такого як вода, і взагалі (але не завжди) поєднують два різних компонента в змінній структурі. Поліестер Дакрон та поліамід нейлон 66, показані тут, є двома прикладами синтетичних конденсаційних полімерів, також відомих як полімери поступового зростання. На відміну від додаткової полімеризації, більшість з яких ростуть за рахунок утворення вуглецево-вуглецевих зв'язків, полімери поступового зростання, як правило, ростуть шляхом утворення вуглецево-гетероатомних зв'язків (C-O & C-N відповідно в Dacron & Nylon). Хоча полімери такого роду можна вважати змінними сополімерами, повторювана мономерна одиниця зазвичай визначається як комбінований фрагмент.
Прикладами природних конденсаційних полімерів є целюлоза, крохмаль, поліпептидні ланцюги білків та полі (β-гідроксимасляна кислота), поліестер, синтезований у великій кількості певними ґрунтовими та водними бактеріями.
Нейлон та інші поліаміди
Полімеризація конденсації (також відома як ступінчастий ріст) вимагає, щоб мономери мали два або більше видів функціональних груп, які здатні реагувати один з одним таким чином, що частини цих груп об'єднуються, утворюючи невелику молекулу (часто H 2 O), яка усувається з дві штуки. Тепер порожні позиції склеювання на двох мономерах можуть потім з'єднатися.
Одним з важливих класів конденсаційних полімерів є поліаміди. Вони виникають в результаті реакції карбонової кислоти і аміну. Приклади включають нейлони та білки.
При отриманні з діамінів і дикарбонових кислот, наприклад, при виробництві нейлону 66, полімеризація виробляє дві молекули води на повторну одиницю:
n Н 2 Н-Х-Н 2 + n ХО 2 С-І-СО 2 Н → [ГН-Х-НГК (О) -Й-С (О)] n + 2n Н 2 Н 2 О
Відзначимо, що мономерні одиниці, що входять до складу полімеру, не ідентичні вихідним компонентам.
Нейлон - це термопластичний шовковистий матеріал, який можна розплавити у волокна, плівки або форми. :2 Він виготовлений з повторюваних одиниць, пов'язаних амідними посиланнями, подібними до пептидних зв'язків у білках. Нейлонові полімери можна змішувати з найрізноманітнішими добавками для досягнення багатьох різних варіацій властивостей. Нейлонові полімери знайшли значне комерційне застосування в тканині та волокні (одяг, підлогове покриття та гумова арматура), у формах (формовані деталі для автомобілів, електрообладнання тощо), а також у плівках (переважно для упаковки харчових продуктів).
Нейлон був першим комерційно успішним синтетичним термопластичним полімером. DuPont розпочав свій дослідницький проект у 1927 році. Перший приклад нейлону (нейлон 6,6) був виготовлений з використанням діамінів 28 лютого 1935 року Уоллесом Хьюмом Каротерсом (рис.\(\PageIndex{1}\)) на дослідному об'єкті DuPont на експериментальній станції DuPont. У відповідь на роботу Каротерса Пол Шлак з IG Farben розробив нейлон 6, іншу молекулу на основі капролактаму, 29 січня 1938 року. :10
Нейлон вперше був використаний комерційно в нейлоновій щетині зубної щітки в 1938 році, потім більш відомий в жіночих панчохах або «нейлоні», які були показані на Нью-Йоркському світовому ярмарку 1939 року і вперше продаються комерційно в 1940 році. Під час Другої світової війни майже все нейлонове виробництво було перенаправлено військовим для використання в парашутах і парашутному шнурі. Використання нейлону та інших пластмас у воєнний час значно збільшило ринок нових матеріалів.
Інші поліаміди практичного застосування включають нейлон 6 і кевлар. Нейлон-6 виготовляється з мономера, званого капролактамом.
Зверніть увагу, що це вже містить амідний зв'язок. Коли ця молекула полімеризується, кільце відкривається, і молекули з'єднуються безперервним ланцюгом. Нейлонові волокна 6 жорсткі, що володіють високою міцністю на розрив, а також еластичністю і блиском. Вони стійкі до зморшок і дуже стійкі до стирання і хімічних речовин, таких як кислоти і луги. Волокна можуть поглинати до 2,4% води, хоча це знижує міцність на розрив.
Кевлар за структурою схожий на нейлон-6,6 за винятком того, що замість амідних ланок, що з'єднують ланцюги атомів вуглецю разом, вони з'єднують бензольні кільця. Два мономери - бензол-1,4-дикарбонова кислота та 1,4-діамінобензол.
Якщо вирівняти їх і видалити воду між групами -COOH і -NH 2 так само, як ми робили з нейлоном-6,6, ви отримаєте структуру кевлара:
Кевлар є дуже міцним матеріалом - приблизно в п'ять разів міцніше сталі, вага на вагу. Він використовується в бронежилетах, в композитах для будівництва човнів, в легких альпіністських канатах, а також для легких лиж і ракеток - серед багатьох інших речей.
Поліетилентерефталат та інші поліефіри
Одним з важливих класів конденсаційних полімерів є поліефіри. Вони виникають в результаті реакції карбонової кислоти і спирту. Приклади включають поліефіри, наприклад, поліетилентерефталат:
- n ХО-Х-ОН + n ХО 2 С-І-СО 2 Н → [О-Х-О2 Ц-Й-С (О)] n + (3n-2) Н 2 О
Поліетилентерефталат (іноді пишуть полі (етилентерефталат)), зазвичай скорочено ПЕТ, ПЕТ або застарілий PETP або PET-P, є найпоширенішою термопластичною полімерною смолою сімейства поліефірних і використовується у волокні для одягу, контейнерах для рідин і харчові продукти, термоформування для виробництва, а також у поєднанні зі скловолокном для інженерних смол.
На нього також можуть називатися торгові марки Terylene у Великобританії, Lavsan в Росії і колишньому Радянському Союзі, і Dacron в США.
Більшість світового виробництва ПЕТ припадає на синтетичні волокна (понад 60%), при цьому виробництво пляшок становить близько 30% світового попиту. У контексті текстильних застосувань ПЕТ згадується його загальною назвою, поліестер, тоді як абревіатура ПЕТ зазвичай використовується стосовно упаковки. Поліестер становить близько 18% світового виробництва полімерів і є четвертим за обсягом виробництва полімером після поліетилену (ПЕ), поліпропілену (ПП) і полівінілхлориду (ПВХ).
Фенол-формальдегід і споріднені смоли
Бакеліт був запатентований 7 грудня 1909 року. Створення синтетичного пластику було революційним завдяки його електропровідності та термостійким властивостям в електричних ізоляторах, корпусах радіо та телефонів та таких різноманітних продуктах, як посуд, ювелірні вироби, стебла труб, дитячі іграшки та вогнепальна зброя.
В останні роки «ретро» привабливість старих бакелітових виробів зробила їх колекційними.
Бакеліт був призначений Національним історичним хімічним орієнтиром листопада 9, 1993 Американським хімічним товариством на знак визнання його значення як перший у світі синтетичний пластик.
Меламін /ˈmɛləmiːn/ (
слухати) є органічною сполукою з формулою C 3 H 6 N 6. Це біле тверде тіло є тримером ціанаміду, з 1,3,5-триазиновим скелетом. Як і ціанамід, він містить 67% азоту по масі, а його похідні мають вогнезахисні властивості завдяки виділенню газу азоту при спалюванні або обвугленні. Меламін можна поєднувати з формальдегідом та іншими агентами для отримання меламінових смол. Такі смоли є характерно міцним термореактивним пластиком, що використовується в декоративних ламінатах високого тиску, таких як Formica, меламін посуд, ламінат і дошки сухого стирання. Меламінова піна використовується як ізоляційний, звукоізоляційний матеріал і в полімерних миючих засобах, таких як Magic Eraser.
Інші конденсаційні полімери
Полікарбонати (ПК) - це група термопластичних полімерів, що містять карбонатні групи в своїх хімічних структурах. Полікарбонати, що використовуються в машинобудуванні, є міцними, жорсткими матеріалами, а деякі сорти оптично прозорі. Вони легко обробляються, формуються і термоформуються. Через цих властивостей полікарбонати знаходять безліч застосувань. Свою назву полікарбонати отримали через те, що вони є полімерами, що містять карбонатні групи (−O− (C = O) −O −). Баланс корисних характеристик, включаючи термостійкість, ударостійкість та оптичні властивості, позиціонує полікарбонати між товарними пластиками та інженерними пластмасами.
Основний полікарбонатний матеріал виробляється реакцією бісфенолу А (BPA) і фосгена CoCl 2. Загальну реакцію можна записати наступним чином:
Полікарбонат в основному використовується для електронних додатків, які використовують його колективні функції безпеки. Будучи хорошим електричним ізолятором і володіє жаростійкими і вогнезахисними властивостями. Другим за величиною споживачем полікарбонатів є будівельна промисловість, наприклад, для купольних світильників, плоского або криволінійного скління та звукових стін, які використовують екструдований плоский твердий або багатостінний лист або гофрований лист. Основним застосуванням полікарбонату є виробництво компакт-дисків, DVD-дисків та дисків Blu-ray.
Поліуретан (PUR і PU) - це полімер, що складається з органічних одиниць, з'єднаних карбаматними (уретановими) ланками. Хоча більшість поліуретанів є термореактивними полімерами, які не плавиться при нагріванні, також доступні термопластичні поліуретани.
Поліуретани відносяться до класу сполук, званих реакційними полімерами, до складу яких входять епоксидні смоли, ненасичені поліефіри та феноли. Поліуретани отримують шляхом взаємодії ізоціанату, що містить дві або більше ізоціанатних груп на молекулу (R− (N = C = O) n) з поліолом, що містить в середньому дві або більше гідроксильних груп на молекулу (R′− (OH) n) у присутності каталізатора або шляхом активації з ультрафіолетовим світлом.
Поліуретани використовуються у виробництві сидінь з високою еластичністю з пінопласту, жорстких пінопластових ізоляційних панелей, мікроклітинних пінопластових ущільнень та прокладок, міцних еластомерних коліс та шин (таких як американські гірки, ескалатор, візок для покупок, ліфт та скейтборд колеса), втулки автомобільної підвіски, електричні заливні склади, високоефективні клеї, поверхневі покриття та поверхневі герметики, синтетичні волокна (наприклад, спандекс), підкладка для килимів, тверді пластмасові деталі (наприклад, для електронних інструментів), презервативи та шланги.
Повністю прореагував поліуретановий полімер хімічно інертний. Ніяких обмежень експозиції не встановлено в США OSHA (Адміністрація з охорони праці та охорони здоров'я) або ACGIH (Американська конференція урядових промислових гігієністів). Це не регулюється OSHA для канцерогенності.
Поліуретановий полімер є горючою твердою речовиною і може запалюватися при впливі відкритого полум'я. Розпад від вогню може виробляти значну кількість чадного газу та ціаністого водню, крім оксидів азоту, ізоціанатів та інших токсичних продуктів. Через горючість матеріалу його доводиться обробляти антипіренами (принаймні, у випадку меблів), майже всі з яких є вважається шкідливим. Пізніше Каліфорнія випустила Технічний бюлетень 117 2013, який дозволив більшості пінополіуретану пройти випробування на горючість без використання антипіренів. Інститут зеленої наукової політики заявляє: «Хоча новий стандарт може бути виконаний без антипіренів, він НЕ забороняє їх використання. Споживачі, які бажають зменшити побутовий вплив антипіренів, можуть шукати тег TB117-2013 на меблів та перевірити у роздрібних продавців, що продукція не містить антипіренів».
Суміші рідких смол та ізоціанати можуть містити небезпечні або регульовані компоненти. Ізоціанати відомі шкірні та дихальні сенсибілізатори. Крім того, аміни, гліколі та фосфати, присутні в спрей-поліуретанових пінопластах, представляють ризики.
Вплив хімічних речовин, які можуть виділятися під час або після нанесення пінополіуретану (наприклад, ізоціанати) шкідливо для здоров'я людини, тому під час і після цього процесу потрібні спеціальні запобіжні заходи.
У Сполучених Штатах додаткову інформацію про здоров'я та безпеку можна знайти через такі організації, як Асоціація виробників поліуретанів (PMA) та Центр промисловості поліуретанів (CPI), а також від виробників поліуретанових систем та сировини. Нормативна інформація може бути знайдена в Кодексі федеральних правил Title 21 (Продукти харчування і наркотики) і Title 40 (Охорона навколишнього середовища). В Європі інформація про охорону здоров'я та безпеку доступна від ISOPA, Європейської асоціації виробників диізоціанату та поліолу.
Епоксидна смола - це або будь-який з основних компонентів, або затверділі кінцеві продукти епоксидних смол, а також розмовна назва епоксидної функціональної групи. Епоксидні смоли, також відомі як поліепоксиди, - це клас реактивних преполімерів та полімерів, які містять епоксидні групи.
Епоксидні смоли можуть реагувати (зшиті) або з самими собою шляхом каталітичної гомополімеризації, або з широким спектром ко-реагентів, включаючи поліфункціональні аміни, кислоти (і кислотні ангідриди), феноли, спирти та тіоли (зазвичай називають меркаптанами). Ці ко-реагенти часто називають затверджувачами або затверджувачами, а реакцію зшивання зазвичай називають затвердінням. Структура епоксидної смоли дигліцидилового ефіру бісфенол-А показана нижче: n позначає кількість полімеризованих субодиниць і зазвичай знаходиться в діапазоні від 0 до 25
Реакція поліепоксидів з собою або з поліфункціональними затверджувачами утворює термореактивний полімер, часто зі сприятливими механічними властивостями і високою термічною і хімічною стійкістю. Епоксидна смола має широкий спектр застосування, включаючи металеві покриття, використання в електроніці/електричних компонентів/світлодіодах, електричних ізоляторах високої напруги, виготовлення малярських пензлів, армованих волокнами пластикових матеріалів та конструкційних клеїв. Епоксидна смола іноді використовується в якості клею (див. Зображення праворуч).
Композитні матеріали
Композитний матеріал (також називається композиційним матеріалом або скорочений до композитного, що є загальною назвою) - це матеріал, виготовлений з двох або більше складових матеріалів зі значно різними фізичними або хімічними властивостями, які при поєднанні виробляють матеріал з характеристиками, відмінними від окремих компонентів. Композитні матеріали, як правило, використовуються для будівель, мостів та конструкцій, таких як корпуси човнів, панелі басейнів, кузови гоночних автомобілів, душові кабінки, ванни, резервуари для зберігання, раковини та стільниці з імітації граніту та культивованого мармуру.
Композити складаються з окремих матеріалів, іменованих складовими матеріалами. Існує дві основні категорії складових матеріалів: матричний (сполучний) і арматурний. Потрібна принаймні одна порція кожного типу. Матеріал матриці оточує і підтримує арматурні матеріали, зберігаючи їх взаємне положення. Посилення надають свої особливі механічні та фізичні властивості для посилення властивостей матриці. Синергізм створює властивості матеріалу, недоступні з окремих складових матеріалів, в той час як широке розмаїття матричних і зміцнюючих матеріалів дозволяє дизайнеру виробу або структури вибрати оптимальну комбінацію. Багато комерційно виготовлені композити використовують матеріал з полімерної матриці, який часто називають розчином смоли. Існує багато різних полімерів, доступних залежно від вихідної сировини. Існує кілька широких категорій, кожна з яких має численні варіації. Найбільш поширені відомі як поліестер, вініловий ефір, епоксидний, фенольний, поліімідний, поліамід, поліпропілен, PEEK (поліефірний ефір кетон) та інші. Звичайні волокна, що використовуються для армування, включають скловолокна, вуглецеві волокна, целюлозу (дерево/паперове волокно та солому) та високоміцні полімери, наприклад арамід. Волокна карбіду кремнію використовуються для деяких високотемпературних застосувань.
Одним з найпоширеніших і звичних композицій є скловолокно, в яке дрібне скловолокно вбудоване всередині полімерного матеріалу (зазвичай епоксидної смоли або поліестеру). Скло е відносно міцне і жорстке (але також крихке), тоді як полімер пластичний (але також слабкий і гнучкий). Таким чином, отримане скловолокно є відносно жорстким, міцним, гнучким і пластичним.
Малюнок \(\PageIndex{6}\)склопластикових елементів використовується для склопластику, поставляється в різних фізичних формах, мікросферах, рубаних або тканих.
Силікони
Силікони, також відомі як полісилоксани, - це полімери, які включають будь-яку синтетичну сполуку, що складається з повторюваних одиниць силоксану. Силікони складаються з неорганічного кремнієво-кисневого магістрального ланцюга (—Si—O—Si—Si—O—O—O —) з органічними бічними групами, прикріпленими до атомів кремнію. Силікони мають в цілому хімічну формулу [R 2 SiO] n, де R - органічна група, така як алкіл (метил, етил) або фенільна група. Силіконовий полімер, який складається з повторюваних одиниць диметилсилікону, показаний нижче.
Вони, як правило, термостійкі і рідкі або гумові. Силікони використовуються в багатьох продуктах. Енциклопедія промислової хімії Ульмана перелічує наступні основні категорії застосування: електротехніка (наприклад, ізоляція), електроніка (наприклад, покриття), побутова (наприклад, герметики та кухонне начиння), автомобіль (наприклад, прокладки), літак (наприклад, пломби), офісні машини (наприклад, клавіатури), ліки та стоматологія (наприклад, форми для відбитків зубів), текстиль та папір (наприклад, покриття). Для цих застосувань, за оцінками, 400 000 тонн силіконів було вироблено в 1991 році.
Силікон часто плутають з кремнієм, але вони є виразними речовинами. Кремній є хімічним елементом, жорстким темно-сірим напівпровідниковим металоїдом, який у кристалічному вигляді використовується для виготовлення інтегральних мікросхем («електронних мікросхем») та сонячних елементів. Силікони - це сполуки, які містять кремній, вуглець, водень, кисень і, можливо, інші види атомів, а також, і мають дуже різні фізичні та хімічні властивості.
Резюме
- Полімеризація конденсації (також відома як ступінчастий ріст) вимагає, щоб мономери мали два або більше видів функціональних груп, які здатні реагувати один з одним таким чином, що частини цих груп об'єднуються, утворюючи невелику молекулу (часто H 2 O), яка усувається з дві штуки. Тепер порожні позиції склеювання на двох мономерах можуть потім з'єднатися.
- Приклади природних конденсаційних полімерів включають целюлозу, крохмаль та поліпептидні ланцюги білків.
- Кілька синтетичних конденсаційних полімерів обговорюються включають нейлон, кевлар, поліестер, бакеліт, меламін, полікарбонати, поліуретани, епоксидні смоли.
- Синтетичні конденсаційні полімери мають широкий спектр побутових, промислових, комерційних та медичних застосувань та застосувань.