Полимеризационные полимеры

К важнейшим полимеризационным полимерам (термопластам) следует отнести полиэтилен, полипропилен, полиизобутилен, поливинилхлорид, полистирол, полиакрилаты и др.

Полиэтилен[─CH₂─CH₂─]_n – продукт полимеризации этилена. Выпускается в виде гранул размером 3-4 мм или белого порошка.

Исходным мономером для полимеризации является этилен CH₂ = CH₂, получаемый чаще всего при термической обработке нефти. В настоящее время промышленность использует следующие методы полимеризации этилена: полимеризация при высоком давлении (до 300 МПа) в присутствии кислорода; при среднем давлении (3,5 - 7,0 МПа) – в углеродистых растворителях с окисно-металлическими катализаторами; при атмосферном и очень малом давлении (0,5 – 3 МПа) с металлорганическими катализаторами.

Полимеризация этилена при высоком давлении производится в трубчатых реакторах и отличается сложностью технологического оборудования. Полиэтилен высокого давления – химически стойкий продукт плотностью 0,95 г/см³ и с повышенной эластичностью, что объясняется наличием в нем 45% аморфной фазы.

Производство полиэтилена при среднем давлении основано на полимеризации этилена в растворе. Этот метод производства полиэтилена в нашей стране широкого распространения не нашел.

При получении полиэтилена низкого давления не требуется сложного компрессорного хозяйства. При низком давлении полиэтилен получают полимеризацией этилена в растворе (бензине) непрерывным методом при давлении 0,15 – 0,5 МПа и температуре до 80 ^оС в присутствии катализатора Циглера – Натта (комплексные металлорганические соединения).

Полиэтилен низкого давления имеет значительные теплостойкость, плотность и жесткость. Основным отличием полиэтилена низкого давления является его кристалличность, в результате чего – меньшие эластичность, прозрачность и большая твердость. Будучи термопластичным насыщенным полимерным углеводородом, полиэтилен имеет строение молекулы в виде плоского зигзага с периодом идентичности 0,254.

Полиэтилен хорошо поддается механической обработке, стоек против агрессивного действия воды, соляных растворов, щелочей, кислот (кроме азотной). При нормальной температуре он нерастворим в органических растворителях и только при нагревании поддается растворению в ароматических углеводородах.

Полиэтилен применяют для производства труб, пленок, гидроизоляционных материалов, тары и предметов сантехнического оборудования. Порошкообразный полиэтилен используют для антикоррозионной защиты металлов.

Полистирол (поливинилбензол) [─CH₂─CH(C₆H₅)─]_n – твердый продукт полимеризации мономера – стирола. Его выпускают в виде прозрачных листов, гранул (блочный полистирол), бисера или белого порошка (эмульсионный полистирол). Макромолекула его имеет полидисперсную разветвленную структуру. Сырьем для производства полистирола служит стирол C₆H₅CH=CH₂ - бесцветная легко воспламеняющаяся жидкость, содержащаяся в некоторых фракциях каменноугольной смолы или вырабатываемая из бензола и этилена. Стирол легко полимеризуется под действием солнечного света и теплоты. В производственных условиях стирол полимеризуют при температуре 80 ^оС в присутствии перекисных соединений (перекиси водорода и перекиси бензоила). Стоек к действию кислот и щелочей, но хрупок и имеет невысокую теплостойкость.

Из полистирола изготавливают гидроизоляционные пленки, облицовочные плиты, водопроводные трубы, теплоизоляционные материалы, различную тару, изделия для электропромышленности. Пенополистирол является наполнителем многослойных панелей, хорошим теплоизолятором.

Полипропилен [─CH₂─CHCH₃─]_n – продукт полимеризации пропилена CH₃─CH═CH₂ в растворителе (бензин, пропан и др.). Сырьем для получения полипропилена служит бесцветный газ пропилен, выделяющийся при крекинге нефти. Полимеризация пропилена ведется обычно при избыточном давлении 4 МПа и температуре 70 ^оС. Пропилен хорошо сопротивляется воздействию органических растворителей и имеет ряд других положительных свойств. К недостаткам полипропилена следует отнести его малую атмосферостойкость. При воздействии солнечных лучей он подвергается деструкции с заметным ухудшением первоначальных физико-механических свойств. Является перспективным полимером для производства труб, пленок и других изделий, используемых в строительстве при изготовлении бассейнов, пластиковых лестниц и других конструкций.

Полиизобутилен [─CH₂─C(CH₃)₂─]_n – продукт полимеризации изобутилена CH₂═C(CH₃)₂, полимер без запаха и цвета. В процессе производства полиизобутилена полимеризация осуществляется при пониженных температурах (-110 ^оС), что достигается отводом теплоты с помощью хладагентов и разбавителей, добавляемых в реакционную смесь.

Полиизобутилен легок (плотность 0,91 г/см3) и стоек к действию агрессивных сред. Полиизобутилен в виде листов и пленок применяют в качестве хорошего гидроизоляционного материала.

Поливинилхлорид[─CH₂─CHCl─] – продукт полимеризации хлористого винила CH₂=CHCl. Выпускается в виде порошка без запаха и вкуса с размером зерен от 0,01 до 0,1 мм.

Сырьем для получения поливинилхлорида служит хлористый винил (винилхлорид) – при атмосферном давлении газ с эфирным запахом. Его получают из ацетилена или дихлорэтана. В результате полимеризации винилхлорида образуется полимер, молекула которого имеет линейное строение.

Поливинилхлорид обладает относительно высокой ударной вязкостью, прочностью при разрыве, устойчивостью к воздействию щелочных и кислых растворов, а также высокие диэлектрические свойства.

Изделия на основе поливинилхлорида (трубы, плитки) легко свариваются в струе горячего воздуха при температуре 200 ^оС.

Недостаток поливинилхлорида – сравнительно низкая температура размягчения (70 ^оС). При нагревании этого полимера до 140 – 150 ^оС начинается его разложение с выделением хлороводорода, каталитически ускоряющего процесс разложения.

На основе поливинилхлорида изготавливают синтетические линолеумы, плитки для пола, линкруст, трубы, газонаполненные пластмассы, строительные профили для окон (оконные переплеты) и двери, облицовочные панели типа «Сайдинг» - методом экструзии. Пластифицированный поливинилхлорид широко используют для получения гидроизоляционных и упаковочных пленок; хлорированный поливинилхлорид с содержанием 60-80% хлора (перхлорвинил) применяют для получения стойких лаков и фасадных красок.

Поливинилацетат [─CH₂─CH(OCOCH₃)─]_n – продукт цепной полимеризации винилацетата CH₃─COOCH=CH₂, сложного эфира уксусной кислоты и винилового спирта. Поливинилацетатные полимеры (ПВА) применяют в виде водных эмульсий для устройства бесшовных полов и изготовления лакокрасочных материалов. Они эластичны, светостойки и хорошо прилипают к поверхности различных материалов.

Инден-кумароновые полимеры– продукты полимеризации соединений – инден-кумарона и их гомологов, содержащихся в сыром бензоле и фенольной фракции каменноугольной смолы.

Инден-кумароновые полимеры применяют для производства асбестоцементных плиток для настила полов, цветного асфальтобетона и латексов для водонепроницаемых покрытий. Эти полимеры могут быть использованы и в качестве связующего или клеящего вещества при изготовлении линолеума и масляных красок и лаков.

Полиметилметакрилат(органическое стекло, плексиглас) [─CH₂─C(СH₃)(COOCH₃)─]_n – продукт полимеризации метилового эфира метакриловой кислоты. Он представляет собой совершенно прозрачный полимер в виде листов, блоков и прессовочных порошков.

Сырьем для производства органического стекла служит метилметакрилат, синтезируемый из ацетона путем сложной химической переработки.

Изделия из органического стекла имеют относительно высокую прочность при сжатии, растяжении и изгибе, а также значительную ударную вязкость. Полиметилметакрилат легко поддается механической обработке (резанию, шлифованию и полировке) и почти не снижает своих свойств при пониженных температурах. Он отличается исключительной прозрачностью и способностью пропускать до 74% ультрафиолетовых лучей. Но при соприкосновении с огнем полимер горит, не стоек в агрессивных средах, легко растворяется в ряде органических растворителей (ацетон, уксусная кислота и др.). Высокая стоимость и недостаточная абразивостойкость полиметилметакрилата ограничивают его применение в строительстве.

Применяют для остекления зданий специального назначения, витрин магазинов, веранд, оранжерей, больниц, для изготовления светильников, фонарей производственных цехов и т.п. Оргстекло можно получать окрашенным в различные цвета, прозрачным и непрозрачным.

Натуральный каучук (НК) – природный ненасыщенный полимер (С₅H₈)_n, содержащийся в млечном соке тропических деревьев (гевеи бразильской и др.), растениях (кок-сагыз, тау-сагыз, гваюла).

Синтетические каучуки – эластичные продукты цепной полимеризации различных углеводородных мономеров:

изопрена CH₂═C(CH₃)─CH═CH₂,

дивинила (бутадиена-1,3) CH₂═C─CH═CH₂,

хлорпрена CH₂═C(Cl)─CH═CH₂ и др.

Изопрен представляет собой газ, переходящий при температуре -35 ^оС в бесцветную жидкость. Его получают в промышленном масштабе путем взаимодействия изобутилена с формальдегидом.

Дивинил – бесцветный газ, подобно изопрену, относится к соединениям с двойными связями и имеет наибольшее применение в производстве строительных каучуков. В промышленности его получают из этилового спирта, бутана и ацетальдегида.

Хлорпрен – бесцветная жидкость, синтезируемая из ацетилена и хлороводорода.

В зависимости от исходного мономера в процессе полимеризации получают различные виды синтетических каучуков – изопреновые, бутадиеновые, бутадиен-стирольные, хлорпреновые и др.

В группе изопреновых каучуков (СКИ) выделим бутилкаучук. Он представляет собой продукт полимеризации изобутилена с малым количеством (1-5%) изопрена и является важнейшим видом синтетического каучука. Бутилкаучук отличается высокой морозостойкостью, эластичностью, водостойкостью, стойкостью к действию кислорода и сильных кислот. Изопреновые каучуки по химическому составу и структуре молекул весьма близки натуральному каучуку. Полиизопреновые каучуки обладают высокими прочностными показателями при растяжении, эластичностью при статических и динамических нагрузках, а также высокой стойкостью при нагревании и окислении.

Бутадиеновый каучук (СКБ) наиболее распространен. Получают полимеризацией бутадиена-1,3 (дивинила) с применением пероксидных катализаторов:

CH2=CH-CH=CH2

R• + CH₂═CH─CH═CH₂ → R─ CH₂─CH═CH─CH₂•

→ R─ CH₂─CH═CH─CH₂─ CH₂─CH═CH─CH₂• и т.д.

В результате получают поливиниловый каучук. Он является первым в мире синтетическим каучуком. В настоящее время промышленность выпускает полидивиниловый (СКД), бутадиен-стирольный (СКС), бутадиен-нитрильный и др. По эластичности эти каучуки близки к натуральным каучукам, но превосходят их по теплостойкости и стойкости к истиранию.

Хлорпреновыекаучуки получают в процессе эмульсионной полимеризации хлорпрена, обладающего высокой полимеризационной активностью благодаря наличию в нем атома хлора. В нашей стране хлорпреновые каучуки выпускают различных марок под общим названием – наириты. Эти каучуки имеют высокую клейкость, стойкость против воздействия кислорода, света, кислот и щелочей. Они обладают повышенной газонепроницаемостью, огнестойкостью (обугливаются, но не горят), низкой растворимостью и набухаемостью в растворителях. Однако хлорпреновые каучуки склонны к повышенной кристаллизации при нормальной (комнатной) температуре и имеют малую морозостойкость.

В строительстве синтетические каучуки применяют для производства различных клеев и мастик (битумно-кумароно-каучуковые, кумароно-каучуковые и др.). Их используют также для модификации различных полимеров с целью повышения их упругих свойств. Синтетические каучуки применяют для изготовления герметиков и герметизации швов между панелями при крупнопанельном домостроении; при изготовлении пластобетонов и растворов; для получения различного вида резин.