Что такое полимеры, их строение и механические свойства с соединениями, без которых человек уже не может никак обойтись в наши дни, знакомы все. Эти




Скачать 94.97 Kb.
НазваниеЧто такое полимеры, их строение и механические свойства с соединениями, без которых человек уже не может никак обойтись в наши дни, знакомы все. Эти
Дата06.11.2012
Размер94.97 Kb.
ТипДокументы
Теоретическая часть.

§1. Что такое полимеры, их строение и механические свойства


С соединениями, без которых человек уже не может никак обойтись в наши дни, знакомы все. Эти соединения называют синтетическими полимерными материалами или проще – полимерами. Полимеры – это органические соединения, которые имеют высокую молекулярную массу.

У синтетических органических полимеров своя история. Она началась в 1869 г., когда на основе нитратов целлюлозы американский изобретатель Джон Уэсли Хайятт (1837-1920) получил первую синтезированную пластмассу – целлулоид. В Нью-Йорке была даже построена в 1872 г. специальная целлулоидная фабрика. Затем последовало открытие бельгийского химика Л. Бакеланда, который синтезировал в 1907 г. из фенола и формальдегида полимер, названный в его честь бакелитом. В 1932 г. другой химик, американец Уоллес Хьюм Карозерс (1896-1937), синтезировал хлоропреновый каучук (неопрен) и полиамид – найлон [2, c.187].

Первые синтетические полимеры были получены, как правило, случайно. Поэтому о строении молекул этих соединений в ту пору было очень мало известно. Например, еще в 1926 г. ведущие химики мира вели спор о том, могут ли вообще существовать огромные молекулы, из которых, как выяснилось позже, построены полимерные соединения.

Первый, кто начал основательно изучать строение полимеров, был немецкий химик Герман Штаудингер (1881-1965). Ему удалось раскрыть общий принцип построения многих высокомолекулярных природных и синтетических веществ [2, c.188]. Этот же ученый наметил пути их исследования и синтеза. Дальнейшее развитие химии полимеров обязано исследованиям ученых многих стран, в том числе и отечественных (В.А. Каргин (1907-1969), П.П. Шорыгин (1881-1939), В.В. Коршак (1909-1988), С.С. Медведев (1891-1970) и др.) [2, c.188].

Широкое применение полимеров в народном хозяйстве основано на своеобразии их физических свойств. Поэтому изучение в школе не только химии, но и физики полимеров имеет очень большое политехническое значение [9, c.161]. Следует рассказать об особенностях строения полимеров, исходя из молекулярно-кинетических представлений, об их физических свойствах в стеклообразном, высокоэластичном и вязко-текучем состояниях. Следует показать своеобразие и общность физических закономерностей, которым подчиняется поведение различных полимеров (каучуков, волокон, пластмасс), что позволит дать представление о путях получения материалов с заданными свойствами.

В приложении к стабильному учебнику физики есть параграф «Понятие о физических свойствах полимеров. Применение полимеров», содержащий ряд полезных сведений. Однако эти сведения носят описательный характер, физические свойства полимеров по сути дела не связываются с их строением. Ничего не говорится о внутреннем вращении в полимерных цепях, объясняющем их гибкость, о природе высокоэластичной деформации, о том, что полимеры могут находиться в различных состояниях, отличающихся характером деформации, об общих физических закономерностях, проявляющихся в поведении каучуков, волокон, пластмасс [9, c.161]. Молекулы полимеров практически всегда развернуты, что при высокоэластичной деформации не изменяется объем полимера и его потенциальная энергия. Указанное свойство полимеров – отсутствие упругости формы – аналогично свойству идеальных газов, у которых при деформации тоже не происходит изменения потенциальной энергии. При деформации полимера потенциальная энергия не изменяется, а меняется форма образца, а после снятия нагрузки образец возвращается в исходное состояние [9, c.162].

Сходство в поведении полимеров и идеальных газов заключается в том, что при изотермическом растяжении полимера в высокоэластичном состоянии и при изотермическом сжатии идеального газа не изменяется внутренняя энергия. Обратимость обеих деформаций имеет не энергетическую, а энтропийную природу, в отличие от упругой деформации низкомолекулярных веществ [9, c.162].

Понятие об энтропийной упругости впервые возникло в физике полимеров. Прежде всего, следует отметить, часто ни стеклообразное, ни вязко-текучее состояние полимеров не являются чем-либо принципиально отличным от соответствующих состояний низкомолекулярных веществ. И высокоэластичная деформация полимеров и упругая деформация низкомолекулярного вещества полностью обратимы, т.е. существуют такие условия, определяемые температурой, временем деформации и др., при которых в обоих случаях не наблюдается пластическое течение образца [9, c.162].

В деформированном образце возникает возвращающая упругая сила за счет изменения внутренней энергии и изменения энтропии. В случае низкомолекулярного вещества энтропия при деформации не изменяется. Изменяется расстояние между атомами и молекулами, изменяется объем образца и, следовательно, его внутренняя энергия. Система переходит в состояние с большой внутренней энергией, и в образце возникает возвращающая упругая сила. Таким образом, в случае упругой деформации низкомолекулярного вещества возвращающая сила имеет энергетическую природу. В случае высокоэластичной деформации полимера объем образца не меняется, следовательно, не изменяется и внутренняя энергия системы.







1 2 3 4

Рис. 1. Механизм, раскручивая цепных молекул полимера с переходом их

из более вероятного свернутого в менее вероятное вытянутое состояние


Механизм деформаций в этом случае заключается в раскручивании цепных молекул полимера с переходом их из более вероятного свернутого в менее вероятное вытянутое состояние (рис. 1), и возвращающая сила связана с изменением не внутренней энергии системы, а энтропии.

Таким образом, природа высокоэластичной деформации принципиальна от природы упругой деформации низкомолекулярных веществ. При упругой деформации низкомолекулярного вещества тело при растяжении поглощает тепло (если процесс адиабатический – охлаждается), а при сжатии – выделяет (нагревается) [9, c.163].

Изучение нового материала целесообразно начать с рассказа о значении полимеров в народном хозяйстве и демонстрации образцов различных полимеров и изделий их них.

Полимеры делятся на каучуки, волокна и пластмассы. Существуют полимеры природного происхождения (натуральный каучук, белки, клетчатка, крахмал) и синтетические (синтетический каучук, синтетические волокна, пластмассы). Общим является их необычайно большая молекулярная масса – порядка десятков и сотен тысяч [9, c.166].

Широкое применение полимеров основано на своеобразии их физических свойств. Чтобы понять эти свойства, научиться ими пользоваться и даже создавать материалы с заранее заданными свойствами, нужно изучить строение полимеров.

Как показали обширные физические и химические исследования, произведенные за последние десятилетия, молекула полимера состоит из огромного числа повторяющихся атомов или групп атомов (мономеров или элементарных звеньев), соединенных между собой [9, c.166]. Молекула многих полимеров представляют собой длинные цепи:


(−CH2−CH2−) n


В молекулах некоторых других полимеров часть атомов водорода заменяют атомы других элементов или группы атомов:


(−CH2−CH−) n

|

Cl


Число повторяющихся групп атомов (n), не является постоянным, поэтому отдельные молекулы полимера имеют различную длину и, следовательно, различную массу. Когда указывают молекулярную массу какого-либо полимера, имеют в виду среднюю и округленную молекулярную массу.

Атомы углерода, составляющие костяк молекулы полимера, образуют не прямую цепочку, а изогнутую. Линии связи, расходящиеся от этого атома, составляют валентный угол 109°,5 [9, c.167]. Отдельные звенья цепи могут поворачиваться в пространстве с сохранением валентного угла. Этим объясняется важнейшее свойство полимерной молекулы – ее гибкость.

На свойства полимеров большое влияние оказывает регулярность, которая проявляется в строгой последовательности соединения исходных молекул мономеров в макромолекуле полимера [3, c.91].

Полимеры, макромолекулы которых построены из звеньев одинаковой пространственной конфигурации или же из звеньев различной конфигурации, но обязательно чередующихся в цепи в определенном порядке, называют стереорегулярными [3, c.91]. Полимеры с произвольным чередованием звеньев различной пространственной конфигурации называют нестереорегулярными.

Гибкость цепей различных полимеров различна, так как зависит от химической природы групп в молекуле. Но существенно то, что этой гибкостью в той или иной степени обладают молекулы всех полимеров. Поэтому, находясь постоянно в тесном взаимодействии и участвуя в сложном тепловом движении, молекулы изменяют свою форму под влиянием толчков со стороны соседних молекул [9, c.168]. Практически цепная молекула находится всегда в свернутом состоянии как наиболее вероятном.

Как показал рентгеновский анализ, полимеры могут находиться в аморфном, кристаллическом и аморфно-кристаллическом состоянии [9, c.170]. В последнем случае макромолекулы так располагаются относительно друг друга, что на одних участках осуществляется дальний порядок (молекулы оказываются параллельными друг другу), а на других – ближний. На участке с дальним порядком (кристаллическое строение), зная положение одной какой-нибудь цепной молекулы и расстояние от нее до соседней, мы можем указать положение любой удаленной (в пределах кристаллического участка) молекулы. На участке с ближним порядком (аморфное состояние) мы можем указать лишь положение молекул, ближайших к данной.

Причины неполной кристаллизации синтетических полимеров состоят в следующем. Во-первых, синтетические полимеры неоднородны. Образец содержит молекулы разной длины, несколько разного состава и расположения атомов. Естественно, что все эти разнородные молекул не могут целиком уложиться в правильную кристаллическую решетку. В такую решетку укладываются только сходные макромолекулы или сходные их части. Во-вторых, чтобы молекулы уложились в правильную решетку, необходимо множество поворотов в отдельных звеньях цепи, а этот процесс требует значительного времени [9, c.170].

Чем более однотипны молекулы полимера, тем легче он кристаллизуется. Кристаллические строение характерно для волокон; волокна представляют собой ориентированные полимерные поликристаллы (обычно цепи параллельны оси волокна). При кристаллизации из раствора могут быть получены и полимерные монокристаллы [9, c.171].

В зависимости от механических свойств полимеры можно разделить натри группы: стеклообразные, высокоэластичные и вязко-текучие.

Стеклообразные полимеры не способны к большим упругим деформациям, обладают более высокими значениями модуля упругости по сравнению с другими полимерами, проявляют способность к хрупкому разрешению. К стеклообразным полимерам относят полиметилметакрилат, полистирол, поливинилхлорид, поликарбонат, желатина и др. К этой группе относится используемый мной материал в опытах – полиимидная пленка (полиимид).

Высокоэластичные полимеры способны обратимо деформироваться на многие сотни процентов. К высокоэластичным полимерам относят натуральный и синтетический каучуки, резины и др.

Вязко-текучие полимеры при действии внешних сил обнаруживают способность к пластическому течению. К вязко-текучим полимерам относят девулканизированные каучуки.

Полимеры могут находиться в трех различных состояниях, но у разных полимеров температурные области существования этих состояний не совпадают.

Области температур, при которых происходит переход из одного состояния в другое, обычно отмечается при помощи условных температур – температуры стеклования Тс и температуры текучести Тт. Тс – это температура, при которой начинает становиться заметной высокоэластичная деформация. Тт – эта температура, при которой начинает становиться заметной пластическая деформация [7, c.173].

Относительность деления полимеров на стеклообразные, эластичные и вязко-текучие сказывается и в том, что на механические свойства полимеров влияет время действия силы.

При нагревании полимера до температуры стеклования Тс тепловое движение усиливается, появляется возможность преодоления сил взаимодействия между молекулами. Поэтому под действием внешних сил изменяется форма молекул. Если приложить растягивающее усилие, то молекулы выпрямляются, т.е. переходят в менее вероятное состояние. Если устранить действие внешней силы, то молекулы в результате теплового движения вновь принимают более вероятные изогнутые формы [9, c.174].

В случае высокоэластичной деформации расстояния между атомами углеродной цепи не меняются, следовательно, не меняется и внутренняя энергия. Изменяется лишь форма молекул. Молекулы переходят из более вероятного свернутого в менее вероятное выпрямленное состояние. Таким образом, высокоэластичная деформация имеет не энергетическую, а вероятностную природу [9, c.174].

Способность полимеров к пластическому течению при температуре выше Тт, объясняется следующим образом: при высоких температурах энергия теплового движения увеличивается настолько, что оказывается возможным не только изменение формы молекул, но и их взаимное перемещение [9, c.174].

Пластмассы должны быть достаточно твердыми при обычных температурах, но пластичными (однако химически неразложимыми) при определенных высоких температурах, чтобы возможно было формирование изделий.

Один из способов изменения механических свойств полимеров – пластификация – смещение полимера с некоторым количеством низкомолекулярного вещества. В качестве пластификаторов применяются разнообразные органические соединения. Так как при этом облегчается перегруппировка молекул, то понижаются температура стеклования и температура текучести [9, c.175].

Изучив достаточно подробно полимеры, стоит обосновать актуальность используемого мной материала в опытах – полиимидной пленки (полиимида). Полиимиды — это термостойкие полимеры. Для проведения опытов, был выбран именно этот полимерный материал, так как полиимиды обладают высокой термостойкостью, высокими механическими характеристиками при повышенных температурах, радиационной стойкостью, стойкостью к органическим растворителям и маслам. На базе полиимидов изготавливают лаки и пленки электроизоляционного назначения. Они используются и в качестве связующих в производстве стеклопластиков и композиционных материалов. На основе полиимидов выпускаются пресс-материалы — мелкодисперсные порошки, которые могут содержать до 60-80 % наполнителей (графит, молибден, оксиды металлов и др.). Пресс-материалы обладают высокими механическими характеристиками, включая ударную вязкость, высоким сопротивлением ползучести, прекрасными диэлектрическими свойствами, низким водопоглощением и малой усадкой. Пресс-материалы перерабатываются в изделия методами компрессионного прессования, пресс-литья и литьем под давлением.




Похожие:

Что такое полимеры, их строение и механические свойства с соединениями, без которых человек уже не может никак обойтись в наши дни, знакомы все. Эти icon«Без многого может обойтись человек, только не без человека»
Я считаю, что высказывание Людвига Берне, немецкого публициста и писателя, о том, что «без многого может обойтись человек, только...
Что такое полимеры, их строение и механические свойства с соединениями, без которых человек уже не может никак обойтись в наши дни, знакомы все. Эти iconЛитература
И вот в наше время уже нельзя представить хорошую презентацию без участия проектора в конференц-зале. Или представление той же презентации...
Что такое полимеры, их строение и механические свойства с соединениями, без которых человек уже не может никак обойтись в наши дни, знакомы все. Эти iconВ. А. Сухомлинский Значение книги в жизни человека огромно. В век компьютеров и высоких технологий человек не может обойтись без чтения. Однако педагоги и психологи констатируют, что дети, едва научившись читать в начал
Значение книги в жизни человека огромно. В век компьютеров и высоких технологий человек не может обойтись без чтения. Однако педагоги...
Что такое полимеры, их строение и механические свойства с соединениями, без которых человек уже не может никак обойтись в наши дни, знакомы все. Эти iconЧасто задаваемые вопросы о рэш
Вы студент или выпускник вуза, может быть даже кандидат наук. Вы хорошо знакомы с системой высшего образования. И все же каждый год...
Что такое полимеры, их строение и механические свойства с соединениями, без которых человек уже не может никак обойтись в наши дни, знакомы все. Эти iconСтоит ли тратить два года жизни на учебу в рэш?
Вы студент или выпускник вуза, может быть даже кандидат наук. Вы хорошо знакомы с системой высшего образования. И все же каждый год...
Что такое полимеры, их строение и механические свойства с соединениями, без которых человек уже не может никак обойтись в наши дни, знакомы все. Эти iconСкажите, что такое анализ и что такое система?
Этот вопрос? Сейчас не требуется математического или академического определения системы. Вы все знаете, что есть система образования,...
Что такое полимеры, их строение и механические свойства с соединениями, без которых человек уже не может никак обойтись в наши дни, знакомы все. Эти icon1. в россии много несчастных семей. Может быть в детстве, когда твой отец пил и бил твою мать, изменял ей, был груб к ней и тебе, ты говорил или думал: я никогда
«развод». Все, что копи лось в сердце плохого, вылилось наружу и чем больше течет, тем больнее. И кажется, что есть один только выход...
Что такое полимеры, их строение и механические свойства с соединениями, без которых человек уже не может никак обойтись в наши дни, знакомы все. Эти iconУчитель начальных классов
Если б человек каждый день вот так здоро­вался не только с родными и знакомыми, но и со всем живым, что его окружает, может быть,...
Что такое полимеры, их строение и механические свойства с соединениями, без которых человек уже не может никак обойтись в наши дни, знакомы все. Эти iconУроков по теме «Происхождение человека»
Где, когда и как возник род человеческий? Как он расселился по Земле? Во все века человечество пыталось найти ответы на эти и другие...
Что такое полимеры, их строение и механические свойства с соединениями, без которых человек уже не может никак обойтись в наши дни, знакомы все. Эти icon7. Как управлять жидкими кристаллами 27 Заключение 31 Список литературы: 32
Необычное сочетание слов "жидкие кристаллы", вероятно, многим уже знакомо, хотя далеко не все себе представляют, что же стоит за...
Разместите кнопку на своём сайте:
Библиотека


База данных защищена авторским правом ©lib.znate.ru 2014
обратиться к администрации
Библиотека
Главная страница