Читать книгу Компоненты неметаллических материалов и их свойства. Монография - - Страница 6

Полиэтилен

(ПЭ) [—CH₂—CH₂—] _n существует в двух модификациях, отличающихся по структуре, а значит, и по свойствам. Обе модификации получаются из этилена CH₂=CH₂. В одной из форм мономеры связаны в линейные цепи (см. рис. 1) с СП обычно 5000 и более; в другой – разветвления из 4—6 углеродных атомов присоединены к основной цепи случайным способом. Линейные полиэтилены производятся с использованием особых катализаторов, полимеризация протекает при умеренных температурах (до 150° С) и давлениях (до 20 атм).

Линейные полиэтилены образуют области кристалличности (рис. 2), которые сильно влияют на физические свойства образцов. Этот тип полиэтилена (см. таблицу) обычно называют полиэтиленом высокой плотности; он представляет собой очень твердый, прочный и жесткий термопласт, широко применяемый для литьевого и выдувного формования (см. ниже) емкостей, используемых в домашнем хозяйстве и промышленности. Полиэтилен высокой плотности прочнее полиэтилена низкой плотности.

Разветвленные полиэтилены первоначально получали нагреванием этилена (со следами кислорода в качестве инициатора) до температур порядка 200° С при очень высоких давлениях (свыше 1500 атм). Разветвления уменьшают способность полиэтилена к кристаллизации, в результате эта разновидность полиэтилена имеет следующие свойства:

Этот полиэтилен обычно называют полиэтиленом низкой плотности. Разработаны методы получения полиэтилена низкой плотности при низком давлении и умеренных температурах сополимеризацией этилена с другим олефином, например, бутиленом CH₂=CH—CH₂—CH₃. Там, где в цепь встраивается бутиленовая единица, образуется короткая боковая цепь:

В этом случае упаковка цепей не может быть столь же плотной, как для «чистого» полиэтилена. Полиэтилен низкой плотности представляет собой прочный, очень гибкий и слегка упругий термопласт, несколько более мягкий, легче формуемый и выдавливаемый, чем полиэтилен высокой плотности; полиэтилен низкой плотности находит широкое применение в производстве покрытий, упаковочных материалов и изделий, изготовляемых методом литьевого формования.

Полиэтилен – один из наиболее полезных и важных пластических материалов. Детали электронных устройств, покрытие картонных молочных пакетов, упаковочные пленки и игрушки – вот далеко не полный перечень того, что делают из полиэтилена.

Полипропилен

(ПП) [—CH₂—CH (CH₃) —] _n получают из пропилена C₃H₆. В 1954 Дж. Натта (Италия) определил его молекулярную структуру, открыв важный класс стереорегулярных полимеров. Боковые метильные группы CH₃ могут располагаться в цепи полипропилена случайным образом

или регулярно

Натта назвал полимеры первого типа атактическими, а второго – тактическими, в данном специфическом случае – изотактическими (что значит «на одной стороне»).

В атактическом полипропилене беспорядочное расположение метильных групп препятствует кристаллизации, в результате получается мягкий, резиноподобный материал, который легко растворим в органических растворителях и размягчается при невысоких температурах. Он используется для получения различных изделий методом экструзии, а также в качестве клея для пластмасс.

В тактическом полипропилене метильные группы расположены регулярно вдоль цепи. Вследствие этого из тактического полипропилена получаются прочные жесткие термопласты с высокими температурами плавления и отличной устойчивостью к растворителям. Изотактический полипропилен – важный промышленный продукт. Он широко используется для получения волокон и пленок и как материал для литьевого и выдувного формования емкостей.

СП "> Т_пл»> Т_ст»> Плотность "> Кристалличность "> Растворимость»>

Полистирол

(ПС) [—CH₂—CH (C₆H₅) —] _n синтезируют из стирола C₈H₈ с пероксидными или азоинициаторами при температурах 60—150° С в жидкой фазе (в растворе, суспензии или эмульсии). Расположение бензольных колец по бокам линейной цепи препятствует кристаллизации настолько, что термопластический полимер получается аморфным, прозрачным, жестким и несколько хрупким.

Несмотря на чувствительность к воздействию растворителей и некристаллический характер, полистирол – один из наиболее важных термопластов, благодаря своей прозрачности, легкой формуемости и прекрасным электроизолирующим свойствам. Полистирол широко используется в электрическом оборудовании, предметах обихода, игрушках и особенно как теплоизоляционный пенопласт. В последние годы получен полистирол с более высокой ударопрочностью благодаря добавкам эластических компонентов; новые сорта расширили сферу применения этого полимера.

Полиметилметакрилат

(ПММА) [—CH₂—C (COOCH₃) (CH₃) —] _n – аморфный прозрачный термопласт, имеющий важное промышленное значение. Его синтезируют из метилметакрилата C₅H₈O₂ так же, как полистирол получают из стирола. Он тверд (несколько тверже полистирола), абсолютно бесцветен и кристально прозрачен, T_ст ок. 100° С. Полиметилметакрилат широко используют для изготовления украшений, оптики и других товаров, где желательно высокое качество.

Поливинилхлорид

(ПВХ) [—CH₂—CHCl—] _n получают из его мономера, винилхлорида CH₂=CHCl при температурах от 20° С до 100° С с пероксидными инициаторами (синтез аналогичен синтезу полистирола). Поливинилхлорид состоит из линейных цепей и является атактическим полимером, а следовательно, аморфным, твердым, жестким, устойчивым к воздействию растворителей термопластом.

Особенно важное свойство поливинилхлорида – огнестойкость, связанная с присутствием хлора в его молекуле (ок. 55%). Хлор придает поливинилхлориду жесткость, полимер размягчается лишь при высоких температурах; по этой причине в некоторых случаях приходится вводить пластификаторы (10—40%), чтобы сделать его более легко формуемым, выдавливаемым и выдуваемым. Поливинилхлорид используется в больших количествах в производстве волокон, пленок, труб, резины, формованных изделий, искусственной кожи и покрытий.

Родственным термопластом является поливинилиденхлорид [—CH₂—CCl₂—] _n. Это кристалличный, высокоплавкий, устойчивый к воздействию растворителей материал, из него изготавливают пленки и грубые ткани.

Полиакрилонитрил

(ПАН) [—CH₂—CH (CN) —] _n синтезируют из акрилонитрила C₃H₃N аналогично получению полистирола и поливинилхлорида. Он состоит из линейных цепей, аморфен и имеет такую высокую температуру стеклования, что с трудом поддается формованию. Однако включение других мономеров в цепь полимеров на основе акрилонитрила делает их более пластичными и понижает T_ст. Получаемые сополимеры легко обрабатываются и сочетают твердость и прозрачность с высокой устойчивостью к воздействию растворителей. Полиакрилонитрил и сополимеры широко используются в производстве синтетических волокон (орлон, динел, акрилан), пленок, резин, формованных изделий (из акрилонитрил-бутадиен-стирольных смол) и покрытий.

Поливинилацетат

(ПВА) [—CH₂—CH (OCOCH₃) —] _n синтезируют из соответствующего мономера аналогично получению полистирола и поливинилхлорида. Этот относительно дешевый термопласт находит широкое применение. Он аморфен, имеет низкую температуру размягчения, легко растворим и используется главным образом для покрытий и как клей.

Политетрафторэтилен

[—CF₂—CF₂—] _n, более известен как тефлон. Его получают газофазной полимеризацией тетрафторэтилена CF₂=CF₂. Это высококристалличный, линейный термопласт с очень низкой T_ст (ок. —110° С); очень высокая T_пл (ок. 330° С, много выше, чем у большинства пластмасс) позволяет использовать тефлон при относительно высоких температурах. Тефлон инертен по отношению к химическим и физическим воздействиям; это прекрасный электроизолятор, кроме того, он обладает наибольшей стойкостью к растворителям среди известных полимеров. К тефлону ничего не прилипает; у него наименьший коэффициент трения из всех твердых материалов. По этим причинам он широко используется в производстве электронного оборудования, прокладок и подшипников.

Полиоксиметилен

(ПОМ, полиформальдегид) [—CH₂—O—] _n получают газофазной полимеризацией формальдегида CH₂O. Это твердый, жесткий, высококристалличный, линейный термопласт с T_пл ок. 180° С и T_ст -85° С. Он не отличается высокой термической и химической стабильностью, но благодаря своей твердости, высокой температуре плавления и стойкости по отношению к органическим растворителям широко применяется для литьевого формования.

Полиоксиэтилен

(ПОЭ, полиэтиленоксид) [—CH₂—CH₂—O—] _n получают каталитической полимеризацией этиленоксида C₂H₄O. Это мягкий, кристаллический, линейный термопласт с T_пл ок. 70° С. Полиоксиэтилен легко растворим в воде и поэтому широко используется как загуститель в клеях для текстиля, в лосьонах и шампунях.

Полиамиды

больше известны как найлоны. Их получение обсуждалось выше при описании поликонденсации. Создатель найлона американский химик У. Карозерс предложил числовые обозначения для полиамидов, в которых первая цифра соответствует числу углеродных атомов в диамине, а вторая – числу углеродных атомов в дикарбоновой кислоте. Эти цифры определяют структуру углеродной цепи и положение амидных групп.

Самые важные представители этого класса линейных термопластов – найлон-6 (поликапролактам, получаемый из e-капролактама; в Узбекистане его называют капроном), найлон-6,6 и найлон-6,10. Все они – твердые, прочные, высококристалличные и высокоплавкие материалы с высокой устойчивостью к воздействию растворителей, химически инертные. Наиболее важными для получения синтетических волокон являются найлон-6 (капрон) и найлон-6,6. Некоторые их количества используются также для производства пленок и формованных изделий, хотя здесь предпочтительнее найлон-6,10 благодаря его более низкой точке плавления (ок. 200° С) и меньшей склонности поглощать влагу. Получен также полиамид, состоящий из изофталевой кислоты и мета-фенилендиамина. Это очень твердый и прочный линейный термопласт с температурой плавления ок. 400° С, используемый для производства таких специальных изделий, как парашюты, буксирные канаты и ремни безопасности на транспорте.

Поли-пара-фенилентерефталамид, ароматический найлон (арамил), является продуктом поликонденсации пара-фенилендиамина и терефталевой кислоты:

Он выпускается компанией «Дюпон» под названием «кевлар». Этот кристаллический термопласт с исключительно высокой T_пл (выше 500° С) используется для изготовления крученых волокон, усиливающих такие реактопласты, как эпоксидные смолы (бисмалеимиды). Композитные материалы этого типа перспективны для применения в конструкциях авиакосмической промышленности.

Полиэфиры

получают из органических кислот и спиртов, обычно полифункциональных мономеров; линейные полиэфиры – из двухосновных кислот и гликолей. Наиболее важный линейный полиэфир – полиэтилентерефталат (или полиэтиленгликольтерефталат) с высокой СП – получается по реакции терефталевой кислоты с этиленгликолем в присутствии катализатора при повышенной температуре в вакууме:

Продукт представляет собой белый высококристалличный материал, плавящийся ок. 260° С, очень устойчивый по отношению ко всем обычным органическим растворителям даже при нагревании. Из него производятся прочные волокна (терилен, дакрон) и жесткие, прозрачные пленки (майлар) экструзией расплава с последующей ориентацией вытягиванием. Очень тонкий, прочный майлар с магнитным покрытием применяют для изготовления пленки для аудио- и видеомагнитофонов.

Поликарбонаты

– еще одна группа линейных полиэфиров, получаемых в промышленных масштабах. Их производят реакцией фосгена COCl₂ c бифункциональными фенолами. Поликарбонат лексан синтезируют согласно следующей схеме:

Это белый, в основном аморфный, очень прочный и жесткий материал с хорошей термостойкостью до 150° С. Путем литьевого формования из него делают пластины, стержни, шестерни и другие предметы сложной конфигурации, которые успешно заменяют литые металлические детали.

Полисилоксаны

Растет спрос на термопластические материалы с достаточно высокой жесткостью (более 14 000 МПа) и высокой температурой размягчения (выше 500° С), чтобы заменить металлы в производстве двигателей, а также космических кораблей, самолетов, автомобилей, железнодорожных вагонов и судов. От новых материалов требуется легкость (низкая плотность), относительная простота обработки и повышенная коррозионная стойкость. Этим требованиям лучше всего удовлетворяют линейные макромолекулы со многими ароматическими звеньями в цепи. Примерами могут служить:

К таким конструкционным пластикам относятся также линейные ароматические полиэфиры и полиимиды.