Kategorie
Tworzywa

Otrzymywanie polimerów i ich struktura

Otrzymywanie polimerów i ich struktura.

Naturalne i syntetyczne polimery wielkocząsteczkowe są substancjami o dużej masie cząsteczkowej, która może wahać się od 10000 aż do kilku milionów. Makrocząsteczki polimerów tworzą się z małych cząsteczek, zwanych monomerami.

Proces polimeryzacji polega na chemicznym łączeniu się dużej liczby monomerów w jedną olbrzymią makrocząsteczkę polimeru.

Łączenie się cząsteczek monomeru w cząsteczkę polimeru może odbywać się bez wytworzenia dodatkowych produktów ubocznych, wówczas proces taki nazywa się polimeryzacją addycyjną (poliaddycją). W ten sposób otrzymuje się dużą liczbę tworzyw, zwłaszcza termoplastycznych. Przykładem polimeryzacji addycyjnej jest otrzymywanie polietylenu. Surowcem w tym procesie, i jednocześnie monomerem, jest etylen:

Innym przykładem poliaddycji jest otrzymywanie polichlorku winylu. W procesie tym monomerem jest chlorek winylu:

Proces polimeryzacji, którego produktem ubocznym są niewielkie cząsteczki, takie jak: woda, metanol, amoniak, dwutlenek węgla, chlorowodór itp. nosi nazwę polimeryzacji kondensacyjnej (polikondensacji). Przykładem polikondensacji może być proces otrzymywania glikolu polietylenowego z glikolu etylenowego:

W wyniku polimeryzacji kondensacyjnej otrzymuje się poliestry, fenoplasty, aminoplasty i wiele innych tworzyw.

Gdy polimeryzacji ulega jednocześnie mieszanina różnych monomerów, wówczas produkt takiego procesu jest nazywany kopolimerem. Utworzony w ten sposób polimer wykazuje odmienne właściwości niż mieszanina oddzielnych homopolimerów, tzn. polimerów utworzonych odrębnie z poszczególnych monomerów.

Przykłady budowy chemicznej najbardziej znanych polimerów przedstawiono w tabeli.

Tabela. Budowa chemiczna popularnych polimerów

Bardzo istotnym elementem, decydującym o właściwościach polimerów, jest ich wewnętrzna struktura fizyczna. Decyduje o niej uporządkowanie tworzących polimer makrocząsteczek. Uporządkowanie względnych położeń cząsteczek może prowadzić do bezpostaciowego lub krystalicznego stanu polimeru. Cechą charakterystyczną stanu bezpostaciowego jest zupełnie bezładny układ cząsteczek, natomiast stanu krystalicznego — występowanie obszarów krystalicznych, zwanych krystalitami, tkwiących w bezpostaciowym środowisku (rysunek).

Rysunek. Bezpostaciowe i krystaliczne stany polimerów: a) polimer bezpostaciowy, b) polimer krystaliczny nie zorientowany, c) polimer krystaliczny zorientowany, 1 — krystality.

Stan krystaliczny polimerów różni się od stanu krystalicznego ciał stałych o małej masie cząsteczkowej tym, że nie jest związany z żadną regularną postacią zewnętrzną oraz że uporządkowane obszary krystaliczne nie obejmują całej próbki. Zdolność do krystalizacji polimeru zależy od łatwości z jaką łańcuchy mogą utworzyć układ uporządkowany oraz od działających sił między cząsteczkowych. Im wyższa jest symetria makrocząsteczki, tym większa jest zdolność do krystalizacji. Analiza właściwości polimerów, ze względu na obecność krystalitów i obszarów bezpostaciowych, stopień giętkości łańcuchów polimerowych i wielkość sił działających między łańcuchami, prowadzi do klasyfikacji polimerów na bezpostaciowe, krystaliczne nie zorientowane, krystaliczne zorientowane oraz elastomery.

Polimery bezpostaciowe nie zawierają krystalitów. Wykazują małą wytrzymałość na rozciąganie i mogą ulegać plastycznemu płynięciu, podczas którego łańcuchy polimeru przesuwają się względem siebie.

Polimery krystaliczne nie zorientowane mają strukturę w znacznym stopniu krystaliczną, jednak wzajemna orientacja krystalitów jest bezładna. W wyniku ogrzewania polimery te topią się w ściśle określonych temperaturach, odpowiadających topnieniu krystalitów. Powyżej tej temperatury stają się bezpostaciowe i wykazują plastyczne płynięcie, co umożliwia ich formowanie.

Polimery krystaliczne zorientowane są polimerami, w których krystality są zorientowane względem siebie. Stan taki można osiągnąć przez rozciąganie na zimno polimeru w jednym kierunku. Zorientowany polimer krystaliczny wykazuje zwykle znacznie większą wytrzymałość na rozciąganie niż polimer nie zorientowany, charakteryzuje się większą twardością, sztywnością i gęstością w porównaniu z polimerem bezpostaciowym. Wyciąganie na zimno jest ważnym etapem w produkcji włókien syntetycznych, np. włókien nylonowych (poliamidowych).

Elastomery są polimerami, które wykazują właściwości sprężyste. Elastomer powinien zawierać pewne obszary krystaliczne, utrudniające plastyczne płynięcie, ponadto zaś powinien mieć stosunkowo giętkie łańcuchy. Po przyłożeniu naprężenia i rozciąganiu łańcuchy elastomeru w obszarach bezpostaciowych wyprostowują się i układają bardziej równolegle względem siebie. W ten sposób polimer osiąga stan zorientowany i w pewnej mierze krystaliczny. Stan ten różni się jednak od stanu wytworzonego przez rozciąganie na zimno tym, że jest trwały jedynie w czasie działania naprężenia. W przypadku braku naprężenia siły między łańcuchami są zbyt słabe, aby utrzymać stan krystaliczny. Po odprężeniu następuje więc skurcz i polimer powraca do stanu początkowego, prawie bezpostaciowego. Do elastomerów zalicza się kauczuki oraz elastyczne substancje kauczukopodobne.

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *