Неорганические полимеры

Полимеризация

Степень полимеризации — это число, показывающее сколько молекул мономера соединилось в макромолекулу.

Степень полимеризации обычно обозначается индексом «n» за скобками, включающими в себя структурное (мономерное) звено: (–CH2–CH2–)n

Характерные признаки полимеризации. В основе полимеризации лежит реакция присоединения. Полимеризация – цепная реакция, включает стадии инициирования, роста и обрыва цепи. Элементный состав (молекулярные формулы) мономера и полимера одинаков.

Катализаторами полимеризации могут быть: металлический натрий, пероксиды, кислород, металлоорганические соединения, комплексные соединения.

Процесс образования высокомолекулярных соединений при совместной полимеризации двух или более различных мономеров называют сополимеризацией.

Например, схема сополимеризации этилена с пропиленом:

Важнейшие синтетические полимеры

Изображение с портала orgchem.ru

Важнейшие синтетические полимеры, получаемые реакцией полимеризации, и области их применения:

Полимер	Мономер	Характеристики полимера	Применение полимера
Полиэтилен (–СН2–СН2–)n	Этилен СН2=СН2	Синтетический, линейный, термопластичный, химически стойкий	Упаковка, тара
Полипропилен	Пропилен СН2=СН–СН3	Синтетический, линейный, термопластичный, химически стойкий	Трубы, упаковка, ткань (нетканый материал)
Поливинилхлорид	Винилхлорид СН2=СН–Сl	Синтетический линейный полимер, термопластичный	Натяжные потолки, окна, пленка, трубы, полы, изолента и т.д
Полистирол	Стирол	Синтетический линейный полимер, термопластичный	Упаковка, посуда, потолочные панели
Полиметилметакрилат Метиловый эфир метакриловой кислоты	Синтетический линейный полимер, термопластичный	Очки, корпуса фар и светильников, душевые кабины, мебель и т.д
Тефлон(политетрафторэтилен)	Тетрафторэтилен	Синтетический линейный полимер. Термопластичный (t = 260-320C) Обладает очень высокой химической стойкостью	Посуда, пластины утюгов, ленты и скотч, упаковка, изоляция
Искусственный каучук Мономер: бутадиен-1,3 (дивинил)	Синтетический, линейный, эластомер, содержит двойные связи	Резина, изоляция, различные материалы, ракетное топливо
Натуральный каучук Мономер: 2-метилбутадиен-1,3	Природный, линейный, эластомер, содержит двойные связи	Резина, изоляция, различные материалы, ракетное топливо
Хлоропреновый каучук Мономер: 2-хлорбутадиен-1,3	Синтетический, линейный, эластомер, содержит двойные связи	Резина, изоляция, различные материалы, ракетное топливо
Бутадиен-стирольный каучук Мономеры: бутадиен-1,3 и стирол	Синтетический, эластомер	Резина, изоляция, различные материалы, ракетное топливо
Полиакрилонитрил	Акрилонитрил	Синтетический, линейный	Волокна, пластмассы

Физические свойства полимеров

Коэффициент теплопроводности по­лимеров значительно ниже, чем других твердых тел,—около 0,2 … 0,3 В/(м*К), поэтому они являются теплоизоляторами. Вследствие относительной подвижности связей и смены конфор­маций полимеры имеют высокий ТКЛР (10-4 … 10-5 К-1 ).

Мож­но было бы поэтому полагать, что они плохо совместимы с ма­териалами, имеющими меньший ТКЛР,—металлами и полупровод­никами. Однако высокая эластичность полимеров и сравнительно небольшой интервал рабочих температур позволяет широко при­менять их в виде пленок, нанесенных на поверхность любых ма­териалов.

Диапазон температур, при которых можно эксплуатировать полимеры без ухудшения их механических свойств, ограничен. Нагревостойкость большинства полимеров, к сожалению, очень низка — лишь 320…400 К и ограничивается началом размягче­ния (деформационная стойкость). Помимо потери прочности по­вышение температуры может вызвать и химические изменения в составе полимера, которые проявляются как потеря массы.

Спо­собность полимеров сохранять свой состав при нагревании коли­чественно характеризуется относительной убылью массы при на­греве до рабочей температуры. Допустимым значением убыли массы считается 0,1 … 1%. Полимеры, стойкие при 500 К, счи­таются нагревостойкими, а при 600…700 К — высоконагревостойкими. Их разработка, расширение выпуска и применения приносят большой народнохозяйственный эффект.

Таблица. Физические свойства полимеров.

	Поли-амид-6	Поли-амид-6.6	Поли-этилен	ПОМ (POM)	ПВХ (PVC) (мягкий)	ПВХ (PVC) (твердый)	Полипро-пилен	Поли-стирол (цель-ный)	Поли-стирол (пено-пласт)	Фенол – формаль-дегидная смола	АБС (ABS)	Поли-уретан
Удельная масса , г/см3	1.14	1.14	0.95	1.42	1.3	1.4	0.92	1.05	1.05	1.4	1.05	1.26
Предел прочности на разрыв , МН/м2	55	60	24	75	16	60	32	55	55	25	50	50
Предел прочности на изгиб , МН/м2	27	38	37	108			44	35		70
Относительное удлинение при разрыве, %	250	140	350	65	400	40	350	30	30		3	600
Коэффициент эластичности, МН/м2	950	1500	1000	3000	20	3000	1300	2500	2500	7000	2500	25
Ударная вязкость (прочность) , КДж/ м2	35	17	3	8.5		30	6.5	6.5	6.5	1.7	12	–
Максимальная рабочая температура , o C	120	120	80	100	80	80	110	81	81	120	80	80
Удельное сопротивление, Ом*см	10^15	10^15	10^15	10^15	10^10	10^17	10^16	10^16	10^16	10^10	10^14
Тангенс угла диэлектрических потерь	0.2	0.15	0.001	0.025	0.1	0.1	0.0005	0.0004	0.0004	<0.3	0.015	0.1
Электрическая прочность , МВ*м	35	30	53	70	30	32	80	>40	>40	75	85	20
Горючесть, по UL94(США)>1.6мм	V2	V2		HB	HB	HB	HB	HB	HB	VO	HB	HB
Коэффициент трения по стали	0.3	0.3	0.25-0.3	0.25		0.5	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5	0.15-0.4
Коэффициент линейного расширения , 10-6/oC	85	85	200	120	70		160	90

Как получают полимеры

Полимеры получают двумя способами: полимеризация и поликонденсация. У каждого свои особенности. Полимеризация — это процесс, при котором мономеры объединяются в цепи и удерживаются химическими связями. Полимеризацией получают полистирол, хлоропреновый и бутадиеновый каучуки, тефлон, полипропилен, полиэтилен.

«Полимеры получают реакцией соединения мономеров. Если говорить простым языком, то это бусы, где бусины — это мономеры. При получении полимеров не меняется состав. То есть какие атомы были в веществе, такие и остаются. Меняется только их количество. И в зависимости от количества мономеров меняются их свойства», — объяснила РБК Трендам начальник лаборатории наливной станции «Нагорная» АО «Транснефть — Верхняя Волга» Алина Мусина.

При поликонденсации помимо полимера образуется еще и низкомолекулярное вещество (вода, спирт, хлороводород). В процессе поликонденсации образуются лавсан, полипептиды, фенолформальдегидные смолы. А вот капрон, например, можно получить сразу двумя способами.

Где применяются полимеры

Область применения полимерных материалов очень широка. Сейчас можно с уверенностью сказать – они используются в промышленности и производстве практически в любой сфере. Благодаря своим качествам полимеры полностью заменили природные материалы, существенно уступающие им по характеристикам. Поэтому стоит рассмотреть свойства полимеров и области их применения.

По классификации материалы можно разделить на:

Оглядевшись вокруг, мы можем увидеть огромное количество изделий из синтетических материалов. Это детали бытовых приборов, ткани, игрушки, кухонные принадлежности и даже бытовая химия. По сути – это огромный ряд изделий от обычной пластмассовой расчески до стирального порошка.

Такое широкое использование обусловлено низкой стоимостью производства и высокими качественными характеристиками. Изделия прочны, гигиеничны, не содержат вредных для организма человека компонентов и универсальны. Даже обычные капроновые колготки изготовлены из полимерных составляющих. Поэтому полимеры в быту применяются гораздо чаще, чем натуральные материалы. Они существенно превосходят их по качествам и обеспечивают низкую цену изделия.

Примеры:

• пластиковая посуда и упаковка;
• части различных бытовых приборов;
• синтетические ткани;
• игрушки;
• кухонные принадлежности;
• изделия для санузлов.

Любая вещь из пластика или с включением синтетических волокон изготавливается на основе полимеров, так что перечень примеров может быть бесконечным.

Пищевая промышленность

В пищевой промышленности полимерные материалы используются для изготовления тары и упаковки. Могут иметь форму твердых пластиков или пленок. Основное требование – полное соответствие санитарно-эпидемиологическим нормам. Не обойтись без полимеров и в пищевом машиностроении

Их применение позволяет создавать поверхности с минимальной адгезией, что важно при транспортировке зерна и других сыпучих продуктов. Также антиадгезионные покрытия необходимы в линиях выпечки хлеба и производства полуфабрикатов. Полимеры применяются в различных отраслях деятельности человека, что обусловливает их высокую востребованность

Обойтись без них невозможно. Натуральные материалы не могут обеспечить ряда характеристик, необходимых для соответствия конкретным условиям использования

Полимеры применяются в различных отраслях деятельности человека, что обусловливает их высокую востребованность. Обойтись без них невозможно. Натуральные материалы не могут обеспечить ряда характеристик, необходимых для соответствия конкретным условиям использования.

Ссылки [ править ]

1. ^ Марк, JE; Оллкок, HR; Уэст Р. «Неорганические полимеры», Прентис Холл, Энглвуд, Нью-Джерси: 1992. ISBN  0-13-465881-7 .
2. Миллер, РД; Michl. “Полисилан Полимеры” J». Chem Ред. . 1989 (89):. 1359-1410 DOI .
3. ^ С. Бернар; К. Саламе; П. Миле (2016). «Керамика из нитрида бора из молекулярных прекурсоров: синтез, свойства и применение». Dalton Trans . 45 : 861–873. DOI .
4. EM Leitao; Т. Юрка; И. Маннерс (2013). «Катализ на службе основной химии группы предлагает универсальный подход к молекулам и материалам p-блока». Химия природы . 5 : 817–829. DOI .
5. ХК Джонсон; TN Hooper; А.С. Веллер (2015). «Каталитическое дегидросоединение амина-борана и фосфина-борана». Вершина. Органомет. Chem . 49 : 153–220. DOI .
6. MM Labes; П. Любовь; Л. Ф. Николс (1979). «Нитрид полисеры – металлический сверхпроводящий полимер». Chem. Откровение 79 (1): 1–15. DOI .

Химические свойства полимеров

Химическая стойкость полимеров опреде­ляется разными способами, но чаще всего по изменению массы при выдержке образца в соответствующей среде или реагенте. Этот критерий, однако, не является универсальным и не отража­ет природу химических изменений (деструкции).

Даже в стан­дартах (ГОСТ 12020—66) предусмотрены лишь качественные ее оценки по балльной системе. Так, полимеры, изменяющие за 42 суток массу на 3 … 5%, считаются устойчивыми, на 5 … 8%— относительно устойчивыми, более 8 … 10%—нестойкими- Конеч­но, эти пределы зависят от вида изделия и его назначения.

Для полимеров характерна высокая стойкость по отношению к неорганическим реактивам и меньшая — к органическим.

Поэтому полимеры широко используются в качестве кон­тейнеров для особо чистых реактивов и воды, защиты и гермети­зации радиокомпонентов, и особенно полупроводниковых прибо­ров и ИС.

Особенность полимеров состоит еще и в том, что они по своей природе не являются вакуумплотными. Молекулы газообразных и жидких веществ, особенно воды, могут проникать в микропусто­ты, образующиеся при движении отдельных сегментов полимера. даже если его структура бездефектна.

Для качественной оценки сорбционно-диффузионных процес­сов в полимерах используются три параметра: коэффициент диф­фузииD, м2 /с; коэффициент растворимости 5, кг/(м3 *Па); коэф­фициент проницаемости р, кг/(м*Па*с), причем p=DS. Так, для воды в полиэтилене D=0,8-10-12 м2 /c, S=10-3 кг(м3 Па) и р=8*10-16 кг/(м*Па*с).

Полимеры выполняют роль защиты металлических поверхностей от коррозии в случаях, когда:

1. толщина слоя велика,
2. полимер оказывает пассивирующее действие на активные (дефектные) центры металла, тем самым подавляя коррозионное действие влаги, проникающей к поверх­ности металла.

Как видно, герметизирующие возможности полимеров ограни­чены, а пассивирующее их действие неуниверсально. Поэтому по­лимерная герметизация применяется в неответственных издели­ях, эксплуатирующихся в благоприятных условиях.

Для большинства полимеров характерно старение — необра­тимое изменение структуры и свойств, приводящее к снижению их прочности. Совокупность химических процессов, приводящих под действием агрессивных сред (кислород, озон, растворы кис­лот и щелочей) к изменению строения и молекулярной массы, на­зывается химической деструкцией.

Наиболее распространенный ее вид — термоокислительная деструкция—происходит под дей­ствием окислителей при повышенной температуре. При деструк­ции не все свойства деградируют в равной мере: например, при окислении кремнийорганических полимеров их диэлектрические параметры ухудшаются несущественно, так как Si окисляется до оксида, который является хорошим диэлектриком.

Классификация по химическому составу

По составу полимеры делятся на:

• Гомоцепные (главная цепь состоит из атомов одной природы, например: полиэтилен, поливинилхлорид и др.);
• Гетероцепные (встречаются несколько атомов различной природы, н-р: полиэтиленоксид и др.);
• Гомополимеры (макромолекулы содержат одинаковые структурные звенья –n);
• Гетерополимеры (состоят из разных остатков мономеров). Такие полимеры называют также сополимеры. Различают сополимеры статистические (беспорядочно чередующиеся звенья),привитые (главная цепь – из одного мономера, а боковые цепи – длинные цепочки из другого мономера) иблоксополимеры (состоят из блоков макроцепей).

Классификация по химическому составу

По составу полимеры делятся на:

• Гомоцепные (главная цепь состоит из атомов одной природы, например: полиэтилен, поливинилхлорид и др.);
• Гетероцепные (встречаются несколько атомов различной природы, н-р: полиэтиленоксид и др.);
• Гомополимеры (макромолекулы содержат одинаковые структурные звенья –n);
• Гетерополимеры (состоят из разных остатков мономеров). Такие полимеры называют также сополимеры. Различают сополимеры статистические (беспорядочно чередующиеся звенья),привитые (главная цепь – из одного мономера, а боковые цепи – длинные цепочки из другого мономера) иблоксополимеры (состоят из блоков макроцепей).

Виды неорганических полимеров

Асбест — один из самых распространенных полимеров. По своей структуре это тонковолоконный материал – силикат. В своем составе он включает молекулы железа, магния, кальция и натрия. Производство этого полимера относится к числу вредных для человека, но изделия из него абсолютно безопасны.

Силикон также нашел свое применение благодаря тому, что по многим характеристикам превосходит природный каучук. Прочность и эластичность обеспечивает соединение кислорода и кремния. Полисиликонсан выдерживает механические, температурные, деформационные воздействие. При этом форма и структура остается неизменной.

Карбин пришел на смену алмазу. Он также прочен, что необходимо во многих отраслях промышленности. Для этого полимера характерна способность выдерживать температуру до 5 000 ºC. Особенность – увеличение электропроводности под воздействием световых волн.

Графит известен всем, кто когда-либо брал в руки карандаш. Особенность углеводородистых полимеров – плоскостная структура. Они проводят электрические разряды, тепло, но полностью поглощают световую волну.

Также производятся полимеры, в основе которых применен селен, бор и другие элементы, что обеспечивает разнообразие характеристик.

Главные характеристики

На данный момент есть очень много видов неорганических полимерных материалов, как природных, так и искусственных, которые обладают разными составом, качествами, областью использования и агрегатного состояния.

Современный уровень развития химической промышленности дает возможность делать неорганические полимерные материалы в значительных объемах. Дабы получить материал такого рода необходимо создать условия очень высокого давления и большой температуры. Сырьем для изготовления выступает чистое вещество, которое поддается процессу полимеризации.

Неорганические полимерные материалы свойственны тем, что обладают очень высокой прочностью, гибкостью, сложно поддаются действию веществ на основе химии и устойчивые к большим температурам. Однако некоторые виды могут быть хрупкими и не владеть эластичностью, однако при этом очень прочными. Самыми популярными из них считаются графит, керамика, асбест, минеральное стекло, слюда, кварц и алмаз.

Самые популярные полимерные материалы в основе имеют цепочки подобных элементов, как кремний и алюминий. Это связано с популярностью таких элементов в природе, особенно кремния. Самые популярные среди них такие неорганические полимерные материалы как силикаты и алюмосиликаты.

Свойства и характеристики различаются не только в зависимости от химического полимерного состава, но и от молекулярной массы, степени полимеризации, сооружения атомной структуры и полидисперсности.

Большинство неорганических соединений отличаются такими критериями:

1. Пластичность. Подобная характеристика, как пластичность, показывает возможность материала становится больше в размерах под влиянием посторонней силы и вернутся в изначальное состояние после снятия нагрузки. К примеру, каучук способен увеличиться в семь-восемь раз без изменения структуры и разных повреждений. Возврат формы и размеров возможен благодаря сохранению расположения полимерных молекул в составе, перемещаются лишь некоторые их участки.
2. Кристаллическая структура. От расположения в пространстве составных компонентов, что именуется кристаллической структурой, и их взаимные действия зависят свойства и специфики материала. Исходя из таких параметров, полимерные материалы делят на кристаллические и аморфные.

Кристаллические имеют стабильную структуру, в которой выполняется определенное расположение полимерных молекул. Аморфные состоят из полимерных молекул ближнего порядка, которые только в некоторых зонах имеют стабильную структуру.

Структура и степень кристаллизации зависит от определенных факторов, например как температура кристаллизации, молекулярная масса и концентрированность раствора полимерного материала.

1. Стеклообразность. Данное свойство отличительно для аморфных полимерных материалов, которые при снижении температуры или увеличении давления обретают стеклообразную структуру. В данном случае заканчивается тепловое движение полимерных молекул. Температурные интервалы, при которых происходит процесс стеклообразования, зависит от типа полимерного материала, его структуры и параметров структурных компонентов.
2. Вязкотекучее состояние. Данное свойство, при котором происходят необратимые изменения формы и объема материала под влиянием посторонних сил. В вязотекущем состоянии структурные детали перемещаются в линейном направлении, что оказывается основой изменения его формы.

Строение неорганических полимерных материалов

Это свойство чрезвычайно важно в определенных промышленных отраслях. Наиболее нередко его применяют при переработки термопластов при помощи подобных вариантов как литье под давлением, экструзия, вакуум-формирования и прочих. При этом полимерный материал расплавляется при очень высоких температурах и большом давлении

При этом полимерный материал расплавляется при очень высоких температурах и большом давлении.

Что такое неорганические полимеры

Более распространены неорганические полимеры природного происхождения, содержащиеся в земной коре

Чаще всего это продукт синтеза элементов III-VI группы периодической системы Менделеева. Неорганическими они называются потому, что в основе лежат неорганические главные цепи и не имеют органические боковые радикалы. Связи появляются в результате одного из двух процессов — поликонденсация или полимеризация.

Говоря обобщенно, неорганические полимеры – это искусственно синтезированные материалы, которые пришли на смену природным. При этом создатели преследовали цель сделать их дешевле. Современные полимеры превосходят имеющиеся природные аналоги по своим характеристикам. Были созданы материалы, которыми природа не обладает вовсе. Это обеспечивает их популярность и разнообразие.

Типы полимеров

По химическому составу различают:

• органические;
• элементоорганические;
• неорганические.

Органические полимеры:

• природные;
• искусственные (модифицированные);
• синтетические.

Природные полимеры

Такие полимеры можно найти в природе. Человек не участвует в производстве таких полимеров. В качестве примера можно привести белки, крахмал, натуральный каучук, хлопок, шерсть и др.

Искусственные полимеры

Чтобы получить такие полимеры, человек проводит химические опыты. Например, чтобы получить модифицированный полимер, который затем будет применён при производстве красок, химики добавляют в раствор стирола в толуоле или ксилоле льняное или касторовое масло и нагревают его.

Пример такого полимера — целлюлоза.

Синтетические полимеры

Произвести такие полимеры можно с помощью химического синтеза (т. е. химическим путём). В синтезе участвуют высокомолекулярные органические продукты. Например, чтобы получить синтетический полимер лавсан нужно поликонденсировать (т. е. провести химический опыт) терефталевую кислоту и этиленгликоль.

Пример — капрон, нейлон, полиэтилен, полипропилен, полистирол, фенолформальдегидные смолы.

Элементоорганические полимеры

Содержат атомы других химических элементов, например кремния, алюминия, титана и др. Выделяют:

• термостойкие полимеры;
• полимеры с высокой электропроводностью и полупроводниковыми свойствами;
• вещества с высокой твёрдостью и эластичностью;
• биологические активные полимеры и др.

Химики получают такие полимеры при взаимодействии определённых органических веществ с солями или заменяя некоторые атомы углерода в молекулах на другие составляющие. Пример — полисилоксаны, полититаноксаны и др.

Неорганические полимеры

Полимеры, молекулы которых построены из неорганических боковых цепей (или неорганических радикалов). Неорганические полимеры можно обнаружить в составе земной коры.

Полимеры могут отличаться составом мономерных звеньев. Мономерное звено — это составная часть макромолекулы полимера. Различают:

• гомополимеры;
• гетерополимеры (или сополимеры).

Гомополимеры

Это такие полимеры, у которых одинаковые мономерные звенья. Например: полихлорвинил, поливинилацетат и полистирол.

Гетерополимеры

Это полимеры, которые имеют различные мономерные звенья. Например: сополимер хлористого винила с винилацетатом, сополимер стирола с бутадиеном.

Полимеры могут также подразделяются также на карбоцепные (или гомоцепные) и гетероцепные полимеры.

Гетероцепные полимеры

Главные цепи макромолекул таких полимеров включают не только атомы углерода, но ещё и атомы кислорода, азота и серы. Например: простые эфиры (например, полиэтиленгликоль), сложные эфиры (глифталевые смолы, полипептиды (белки) и др.).

Полимеры также могут подразделяться в зависимости от расположения мономерных цепей в пространстве. Различают:

• стереорегулярные (полимеры с линейной структурой);
• нестереорегулярные (или атактические).

Строение макромолекул полимеров может быть различным. Таким образом, есть полимеры:

• линейные;
• разветвлённые;
• лестничные;
• трёхмерные сшитые (сетчатые, пространственные).

Полимеры можно получить разными способами:

• если полимер получают с помощью поликонденсации, то такой полимер называют поликонденсационным (или реактопластами);
• если с помощью полимеризации — речь идёт о полимеризационном полимере.

В зависимости от реакции полимера на нагревание выделяют:

• термопластичные (полиэтилен, поливинилхлорид, полистирол);
• термореактивные полимеры (полиэфиры, эпоксидные, меламиновые и фенольные смолы).

Характеристики неорганических полимеров

При создании полимерных материалов за основу качеств конечного продукта берут:

• гибкость и эластичность;
• прочность на сжатие, кручение, разрыв;
• агрегатное состояние; температурная стойкость;
• электропроводность;
• способность пропускать свет и т.д.

при изготовлении берут чистое вещество, подвергают его специфическим процессам полимеризации, и на выходе получают синтетические (неорганические) полимеры, которые:

1. Выдерживают запредельные температуры.
2. Способны принимать изначальную форму после деформации под действием внешних механических сил.
3. Становятся стеклообразными при нагревании до критической температуры.
4. Способны менять структуру при переходе от объемной к плоскостной, чем обеспечивается вязкость.

Способность преобразовываться используется при формовом литье. После остывания неорганические полимеры твердеют, и приобретают также различные качества от прочного твердого до гибкого, эластичного. При этом обеспечивается экологическая безопасность, чем не может похвастаться обычный пластик. Полимерные материалы не вступают в реакцию с кислородом, а прочные связи исключают высвобождение молекул.