Куренков В.Ф. Химия высокомолекулярных соединений: Конспект лекций

Подождите немного. Документ загружается.

Учреждение – Редакция “Бутлеровские сообщения”

В.Ф. Куренков

Химия

высокомолекулярных

соединений

Конспект лекций

Казань 2004

УДК 678.7 (075.8)

Химия высокомолекулярных соединений: Конспект лекций. /

В.Ф. Куренков. Казань: Издательство – Редакция “Бутлеровские

сообщения”. 2004. 146 с. Тираж 50 экз.

Конспект лекций охватывает первую часть читаемого авто-

ром курса. Содержит разделы, посвященные строению полиме-

ров, различным методам их синтеза и химических превращений.

Предназначен для студентов, обучающихся по направлению

подготовки дипломированного специалиста 655100 – “Химиче-

ская технология высокомолекулярных соединений и полимер-

ных материалов”, специальности 250500 и 250700. Могут ис-

пользоваться студентами и аспирантами химико-технологиче-

ских вузов, а также других вузов, в которых читается курс химии

и физики полимеров.

Ил.14. Табл. 9. Библиогр. 26 назв.

Печатается на правах приложения журнала “Химия и компь-

ютерное моделирование. Бутлеровские сообщения.” 2004 г.

Том.5. №2.

Рецензенты: проф. В.Ф. Строганов

проф. В.В. Береснев

 Учреждение – Редакция “Бутлеровские сообщения”, 2004 г.

 Куренков В.Ф., 2004 г.

Содержание

Стр.

Введение

Принятые сокращения

Тема 1. Основы строения полимеров

1.1. Структура и классификация полимеров 7

1.2. Молекулярная масса и молекулярно-массовое рас-

пределение полимеров 15

1.3. Конфигурация макромолекул 21

1.4. Конформация макромолекул 23

1.5. Гибкость макромолекул 24

Контрольные вопросы

Тема 2. Получение полимеров

2.1. Полимеризация 31

2.1.1. Радикальная полимеризация 31

2.1.2. Радикальная сополимеризация 38

2.1.3. Ионная полимеризация 45

2.1.3.1. Анионная полимеризация 47

2.1.3.2. Катионная полимеризация 49

2.1.3.3. Координационно-ионная полимеризация 52

2.1.3.4. Полимеризация с раскрытием цикла 57

2.2. Поликонденсация 63

2.3. Полиприсоединение 73

2.4. Способы проведения полимеризации 76

2.5. Способы проведения поликонденсации 84

Контрольные вопросы

Тема 3. Химические превращения полимеров

3.1. Особенности химических реакций полимеров 90

3.2. Химические превращения полимеров без изменения

степени полимеризации

3.2.1. Внутримолекулярные превращения 96

3.2.2. Полимераналогичные превращения 99

Введение

“Химия и физика высокомолекулярных соединений“ является

общим теоретическим курсом, изучаемым студентами института

полимеров КГТУ в соответствии с Государственным общеобра-

зовательным стандартом высшего профессионального образова-

ния по направлению подготовки дипломированного специалиста

655100 – “Химическая технология высокомолекулярных соеди-

нений и полимерных материалов”.

Перестройка высшего образования в стране направлена на по-

вышение качества подготовки специалистов и активизацию са-

мостоятельной работы студентов. В связи с этим особое значе-

ние преобретает методическое обеспечение учебного процесса,

создание новых и переработка старых учебников и учебных по-

собий. Для этих целей предназначено предлагаемое учебное по-

3.3. Химические превращения полимеров с увеличением

степени полимеризации 102

3.3.1.Сшивание макромолекул 102

3.3.2. Отверждение полимеров 106

3.3.3. Получение блок- и привитых сополимеров 110

3.4. Химические превращения с уменьшением степени

полимеризации 119

3.4.1. Химическая деструкция полимеров 121

3.4.2. Физическая деструкция полимеров 125

3.5. Старение и стабилизация полимеров 131

Контрольные вопросы

138

Контрольные задания

139

Библиографический список

144

Биографические сведения автора

146

собие, которое должно способствовать повышению качества

обучения и улучшению методического обеспечения учебного

процесса.

Из общего объёма курса для издания выделен раздел “Химия

высокомолекулярных соединений“, содержание которого соот-

ветствует программе дисциплины. В учебном пособии рассмот-

рены основы строения полимеров – структура и классификация

полимеров, молекулярные массы и молекулярно-массовое рас-

пределение, конфигурация, конформация и гибкость макромоле-

кул. Изложены научные основы различных способов получения

полимеров. Рассмотрены возможности модификации полимеров

путём внутримолекулярных и полимераналогичных превраще-

ний, сшивки, отверждения и деструкции полимеров, а также

возможности их стабилизации. В конце каждой темы приведены

вопросы для самоконтроля, а в конце книги - контрольные зада-

ния, которые помогут в усвоении пройденного материала. В

библиографическом списке указана литература для углубленного

изучения дисциплины.

Предлагаемое пособие подготовлено на основе читаемого ав-

тором на протяжении ряда лет курса лекций по дисциплине для

студентов специальности 250500 “Химическая технология высо-

комолекулярных соединений” и 250700 “Химическая технология

кинофотоматериалов и магнитных носителей”.

Принятые сокращения

- металл

- константа скорости реакции

- константа сополимеризации

- полярность мономера

- степень полимеризации

•

- радикал

- реакционная способность радикала

- реакционная способность мономера

ККМ - критическая концентрация мицеллообразования

ММ - молекулярная масса

ММР - молекулярно-массовое распределение

МЧР - молекулярно-числовое распределение

НЦ - нитроцеллюлоза

ПАА - полиакриламид

ПАВ - поверхностно-активное вещество

ПАК - полиакриловая кислота

ПАН - полиакрилонитрил

ПБ - полибутадиен

ПВА - поливинилацетат

ПВАМ - поливиниламин

ПВС - поливиниловый спирт

ПВХ - поливинилхлорид

ПИБ - полиизобутилен

ПМА - полиметилкрилат

ПММА - полиметилметакрилат

ПМС - поли-α-метилстирол

ПНЭ - полинитроэтилен

ПП - полипропилен

ПС - полистирол

ПТФЭ - политетрафторэтилен

ПУ - полиуретан

ПЭ - полиэтилен

УФ - ультрафиолетовый

Тема 1. Основы строения полимеров

1.1. Структура и классификация полимеров

Полимерами являются высокомолекулярные соединения, со-

стоящие из одинаковых или различных звеньев, соединенных

химическими связями в длинные цепи. Полимер означает много

частей (от греческого polus-много и meros-части). Наглядной мо-

делью полимера является ожерелье из бусин. Звеньями цепи мо-

гут быть как отдельные атомы, так и группы атомов (например,

полимерная сера –S–S–S–S– и полиэтилен –СН

–СН

– ).

Число повторяющихся звеньев в цепи – степень поли-

меризации (Р). Она определяет молекулярную массу полимера

(М)

М=m

· Р,

где m – молекулярная масса звена.

В зависимости от значений М различают высокомолекуляные

соединения, олигомеры и низкомолекулярные соединения. При

М>5000–10000 – высокомолекулярное соединение, М=500 –

5000 – олигомер, М<500 – низкомолекулярное соединение.

Названия полимеров и олигомеров складывается из названия мо-

номера и приставки «поли» или «олиго» (например, полиэтилен,

полистирол, олигостирол, олигобутадиен, сополимер этилена с

пропиленом). Химические формулы пишут без концевых групп

[ например, – СН

–СН

– или (– СН

–СН

–)

]. Для некото-

рых полимеров используются торговые названия (например,

найлон или поли–ε–капролактам, фенопласт или фенолформаль-

дегидная смола, тефлон или политетрафторэтилен).

По числу мономерных звеньев в цепи полимеры класси-

фицируют на гомополимеры и сополимеры. Гомополимеры со-

стоят из одинаковых звеньев (например, –А–А–А–), а сополиме-

ры – из двух или более звеньев (например, –А–В–С–).

Сополимеры подразделяют на статистические

–А–В–В–А–В–А–А–А–В–В–

(имеют нерегулярное расположение звеньев) и чередующиеся

А–В–А–В– (имеют регулярное расположение звеньев).

Различают блок-сополимеры и привитые сополимеры Блок-

сополимеры имеют длинные последовательности звеньев каждо-

го типа ~АААААВВВВВААААА~ и в названии указываются

составляющие звенья [например, поли(стирол–блок–метилакри-

лат)]. Привитые сополимеры основную цепь имеют из звеньев

одного мономера, а боковую – из звеньев другого мономера

~ААААААААААА~.

| |

ВВВВВ ВВВВВ

По структурной форме полимеры делят на линейные, раз-

ветвленные и сшитые.

Линейные имеют цепи с

большой асимметрией

Разветвленные имеют

длинную основную цепь

с боковыми ответвления-

ми

Сетчатые имеют длинные

цепи, соединенные хими-

ческими связями

По строению основной цепи полимеры делят на гомоцепные

и гетероцепные. Гомоцепные полимеры имеют основную цепь

из одинаковых атомов (например, из серы –S–S–S–, углерода

–С–С–С–, фосфора –Р–Р–Р–). Полимеры, построенные из атомов

углерода называются карбоцепными. Гетероцепные полимеры

имеют основную цепь из различных атомов (например, –С–О–,

–Si–О–, –P=N–).

Устойчивость гомоцепных и гетероцепных полимеров зави-

сит от прочности связей между атомами. Наиболее прочными

являются связи между атомами углерода, а наименее прочными

являются связи между атомами азота и между атомами кислоро-

да, все остальные элементы могут образовывать гомоцепные

полимеры (например, –S–S–S–, –Р–Р–Р–, –Si–Si–Si–, –Te–Te–Te ).

У гетероцепных полимеров энергия связи между атомами выше,

чем у гомоцепных. Поэтому гетероцепные полимеры являются

высокоплавкими и высокопрочными.

По происхождению полимеры делят на природные, синте-

тические и искусственные. Примерами природных полимеров

являются натуральный каучук, целлюлоза, белки, алмаз, графит.

Синтетическими полимерами, полученными в колбе или реакто-

ре, являются полиэтилен, полистирол, полипропилен. Искусст-

венными являются модифицированные природные полимеры,

например, нитрат целлюлозы и ацетат целлюлозы.

Химическое строение макромолекул

По химическому строению повторяющегося звена полимеры

делят на классы: органические, неорганические и элементоорга-

нические.

Органические полимеры в основной цепи содержат атомы уг-

лерода, а также кислорода, азота и серы. В боковые группы мо-

гут входить водород и галогены, соединенные непосредственно с

углеродоми или другие атомы, непосредственно не соединенные

с углеродом в основной цепи.

Неорганические полимеры имеют основную цепь из неорга-

нических атомов и не имеют органических боковых групп.

Таблица 1

Примеры органических гомоцепных полимеров

А л и ф а т и ч е с к и е п р е д е л ь н ы е

ПП

–СН

–СН–

│

СН

ПАА

–СН

–СН–

│

O=C–NH

ПВХ –СН

–СН–

│

Сl

ПВА –СН

–СН–

│

OCO–CH

ПВС –СН

–СН–

│

ПАН –СН

–СН–

│

C≡N

ПВАМ – СН

–СН–

│

NН

ПНЭ –СН

–СН–

│

NО

ПЭ –СН

–СН

– ПТФЭ –СF

–СF

–

А р о м а т и ч е с к и е

Полифенилен

Ж и р н о а р о м а т и ч е с к и е

А л и ф а т и ч е с к и е н е п р е д е л ь н ы е