ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 10.11.2023
Просмотров: 20
Скачиваний: 2
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Технология синтеза функциональных полимеров
проф, В.А. Тверской
Лекция 1
Введение
Прежде всего ответим на вопрос: «Что такое функциональные полимеры?». Под функциональностью химического соединения понимают число функциональных групп, входящих в структуру этого соединения. Например: этанол, этиленгликоль, глицерин, глицин, моноэтаноламин.
На первых этапах исследования полимеров разработка и поиск новых полимерных материалов были направлены на улучшение их эксплуатационных, в первую очередь, физико-механических свойств при сохранении химической инертности, что было связано с применением полимеров в качестве конструкционных материалов.
К конструкционным материалам условно относят материалы, основным назначением которых является сопротивление внешним механическим воздействиям – высокая механическая прочность.
Еще недавно полимеры рассматривали лишь как подходящие заменители традиционных материалов. С этих позиций наиболее ценными и важными свойствами полимеров являются прочность, стабильность и надежность, то есть показатели, которыми обладают классические конструкционные материалы: дерево, металл. Поэтому основные усилия были направлены на получение высокомолекулярных соединений, обладающих термостойкостью, механической и термомеханической прочностью и др. При этом создавались новые пластмассы, волокна, каучуки. Этот этап развития химии и технологии полимеров привел к созданию в мире мощной промышленности с выпуском десятков миллионов тонн полимеров.
Период разработки и освоения производства основных полимерных материалов закончился в 70-х годах прошлого века. К 90-м годам 20 века ежегодное потребление полимерных материалов на душу населения (кг/год) достигло в развитых странах высокого уровня, который постоянно увеличивается на 2-3 % в год. На диаграмме показано потребление отдельных видов химической продукции на душу населения в разных государствах мира в 2011 г. (кг/чел.·год).
В 2019 году потребление полимеров в России составило 46,3 кг/чел., что в 2 раза ниже, чем в развитых странах.
На следующей диаграмме показана динамика производства синтетических смол и пластмасс в России за прошедшие 100 лет (млн. т/год).
Вообще. Период 60-х годов прошлого века характеризуется крайне важным признаком – стремительным ростом производстра синтетических материалов, начавших активно вытеснять натуральные материалы во всех направлениях применения.
Следует отметить, что в России полимерный сектор в последние десятилетия является одним из наиболее динамично развивающихся товарных химических рынков. Темпы роста сегмента пластмасс и синтетических смол превышают тот же показатель ВВП и промышленного производства, как видно из таблицы.
В настоящее время в России базовые полимеры (это ПЭВП, ПЭНП, ЛПЭНП, ПП, ПС + АБС, ПВХ, ПЭТФ) производят 22 компании, из которых подавляющая часть – моно- или биполимерные и только ПАО «Нижнекамскнефтехим» производит 3 вида поастиков: ПЭ, ПП, ПС.
Однако несмотря на активное развитие производства полимеров доля России в мировом производстве пластмасс и синтетических смол весьма скромна – всего 2,3 %.
Рассмотрим динамику производства двух базовых полимеров – ПЭ и ПП, в СССР и в России. На диаграмме видно, что стремительный рост производства ПЭ начался с 60-х годов, а ПП с 90-х годов 20 века (тыс. т/год).
С 2010 года производство ПЭ в РФ выросло в 2019 году на 16 % и достигло 1781 тыс. тонн.
Производство ПП в 2019 году достигло 1395 тыс. тонн.
Несмотря на большие обемы производства полимерной продукции к настоящему времени доля импорта полимерной продукции составляет 20 %.В денежном эквиваленте основными поставщиками продукции являются Китай (21,6 %), Германия (15,6 %) и Белоруссия (8,5 %0.
Однако по мере развития исследований в области полимеров и накопления опыта их практического применения к 60-м годам 20 века стало очевидно, что подобный подход является «очень узким». Современные полимеры могут не только успешно конкурировать с традиционными материалами, но и во многом значительно превосходить их.
В последние годы были развиты совершенно нетривиальные направления использования полимеров. Их стали широко применять для решения задач химической технологии, энергетики (различные виды аккумуляторов и преобразователей энергии), биологии и медицины, экологии, процессов регистрации изображения и др.
В противовес синтезу «стабильных» (конструкционных) полимеров развивалось новое направление, уелью которого стало изучение полимеров, способных за счет введения различного вида групп осуществлять различные функции. Классификация таких полимеров может быть проведена по осуществляемым функциям, которые естественно связаны с введением в полимеры различных функциональных групп.
Несколько примиеров функциональных полимеров и материалов на их основе.
Пример 1.
ПЭ – диэлектрик, полиацетилен – органический темновой полупроводник.
Пример 2.
Полистирол также диэлектрик, а полифенилацетилен – темновой полупроводник.
Пример 3.
Поли-N-винилкарбазол в сочетании с π-электроноакцепторами, например, 2,4,7-тринитрофлуореноном:
Обладает фотопроводимостью. Эта композиция, содержащая 2-3 % ТНФ, вытеснила селен в процессах электрофотографии.
При болшем содержании ТНФ в композиции слой становится хрупким. Механически непрочным.
Замена же 2,4,7-тринитрофлуоренона на его полимерный аналог – поливинилоый эфир 2,5,7-тринитрофлуоренон-4-карбоновой кислоты:
Позволило значительно увеличить фотопроводимость и механические свойства слоя.
Пример 4.
Замена поли-N-винилкарбазола на поли-N-эпоксипропилкарбазол:
позволила улучшить физико-механические свойства материала и снизить температуру его размягчения, что, в свою очередь, позволило использовать композиции на основе этого полимера для фотогермопластической записи информации.
 |  |
Пример 5.
Фильтры ультрафиолетового излучения на фотоматериалах.
Пример 6.
Электрохромизм виологенов
Катион-радикал виологена имеет интенсивную полосу поглощения в видимой области спектра:
Полимерные производные виологенов дают пленки, на которых возможен электромеханический эффект:
Пример 7.
Сшитые полимеры, содержащие ионные группы используют в качестве ионообменных смол:
Такого типа полимеры используют для деионизации воды.
Пример 8.
На основе сшитой полиакриловой кислоты создан рН-чувствительный гидрогель:
Пример 9.
Полимеры широко используются в процессах мембранного разделения жидкостей и газов:
На диаграмме видно, что каучуки имеют большую проницаемость и меньшую селективность, чем стеклообразные полимеры.
Диаграмма Робсона:
Как я уже говорил, полимеры широко используются в процессах мембранного разделения жидкостей и газов, в частности, процессах, где реализуется процесс облегченного транспорта пенетранта. На рисунке показаны механизмы челночного и эстафетного переноса в мембранах, содержащих носитель:
На рисунке показан полимерный кобальт-порфириновый комплекс:
И на следующем рисунке коэффициенты проницаемости кислорода и азота мембран из этого комплекса в зависимости от давления:
Концентрация комплекса в мебране, %:
· - 4,5; º - 1,2.
На рисунке показана модель мембраны, в которой реализуется облегченный перенос диоксида углерода:
Один из возможных способов реализации облегченного переноса СО2 – это его обратимое связывание с первичными или вторичными аминами:
На следующем слайде показана схема синтеза полимера мембраны для селективного переноса диоксида углерода:
который обратимо взаимодействует с первичной аминогруппой противоиона.
Перенос олефинов и диенов в мембранах, содержащих Ag+-ион:
В настоящее время синтез и исследование свойств так называемых «функциональных полимеров» - одна из важнейших областей развития современной науки о полимерах.
Функциональные материалы – это материалы, обладающие определенным уровнем физико-химических и механических свойств, которые в совокупности обеспечивают использование этих материалов в качестве рабочего элемента или детали в определенном устройстве, приборе или конструкции
Итак, выражение «функциональные полимеры» фактически не имеет точно определенного значения, которое обычно используется в научных терминах. Во избежание путаницы под функциональностью подразумевается общая способность полимеров выполнять ту или иную функцию.
С глубокой древности человечество использовало для выживания различные материалы, первыми функциональными характеристиками которых, по-видимому, были теплопроводность и механическая прочность. Уже более 5000 лет назад в Индии и Китае люди начали использовать природные полимеры: хлопок (целлюлоза), шелк (полиамид) и т.п. В последние годы было синтезировано множество новых полимеров с великолепными тепловыми, механическими, химическими, электрическими характеристиками. Однако в большинстве случаев лишь часть этих характеристик удовлетворяет практическим требованиям.
В противовес синтезу «стабильных» полимеров развивалось новое направление, целью которого стало получение полимеров, способных за счет введения различного вида групп осуществлять различные функции. Классификация таких полимеров может быть проведена по осуществляемым ими функциям (например, электропроводность, светочувствительность), которые, естественно, связаны с введением в полимеры различных функциональных групп.