Способы получения термопластов

Газ этилен под действием высокой температуры и давления превращается в полиэтилен — известный всем твердый продукт. Хлористый винил в присутствии катализатора (перекись водорода) образует полихлорвинил. Из жидкого стирола при нагревании получают твердый полистирол.

Рис. 3.1. Реакции полимеризации при получении: а — полиэтилена; б — полихлорвинила

Полимеризоваться могут не только однородные, но и разнородные молекулы.

Процесс химического взаимодействия разнородных молекул в веществе, цепи которых образованы из молекул обоих родов, называют совместной полимеризацией или сополимеризацией. Схему сополимеризации можно выразить следующим образом (в случае, если молекулы двух веществ берутся в равных количествах):

Молекулу сополимера (АB) можно представить и в таком виде:

... – АААБАБББААБАБААБ –... (3.1)

или,

... – ААААА – ... – АААББББББ –... – БББАААА – ... (3.2)

В первом случае , (3.1), входящие в молекулу химические звенья беспорядочно соединены друг с другом; во втором случае, (3.2), молекулы полимера представляют собой соединенные цепочки двух или более химических типов (отрезки цепей в виде отдельных «блоков»). Второй вид сополимеризации носит название блок-сополимеризация.

Известен еще один вид сополимеризации, называемый «привитой». Такое название обусловлено тем, что к основной цепи, состоящей из звеньев мономера А, «прививается» цепь, состоящая из звеньев мономера Б(3.3):

Современные методы синтеза дают возможность получать высокомолекулярные материалы с самыми разнообразными свойствами, зависящими от выбора полимеров и мономеров, т. е., синтезировать материалы с заданными свойствами.

В промышленности применяются четыре способа проведения полимеризации: блочный, эмульсионный, лаковый и газовый.

Рассмотрим каждый из них в отдельности.

Блочный метод полимеризации. Жидкий мономер, предварительно тщательно очищенный от всех примесей (реакция полимеризации чрезвычайно чувствительна к ним), смешивается с небольшим количеством катализатора и заливается в специальные формы. После нагревания формы, в массе мономера начинается реакция полимеризации. Почти все реакции такого типа - экзотермичны, т.е., идут с выделением большого количества тепла, что приводит к значительному ускорению реакции и быстрому разогреванию массы до температуры кипения мономера. Чтобы исключить возможность взрыва, необходимо тщательно регулировать температуру протекания реакции, интенсивно охлаждать формы, снижая скорость образования полимера. По причине взрывоопасности, блочный метод применяется редко (в основном используется при производстве листового органического стекла).

Более широкое распространение получила модификация блочного метода ─ непрерывный блочный метод, при котором полимеризация проводится в специальных сложных колоннах. Этим методом производят чистый полистирол и поливинилацетат.

Более эффективным и экономически выгодным является эмульсионный метод полимеризации. Мономер, с помощью механических мешалок и специальных химических веществ — эмульгаторов — превращается в мельчайшие капельки, взвешенные в другой жидкости, чаще всего в воде, обладающей высокой теплоемкостью. Вода, окружающая каждую капельку эмульсии, позволяет регулировать скорость протекания реакции полимеризации, происходящей в каждой капельке эмульсии самостоятельно. Готовый полимер, после фильтрации и сушки, получается в виде мелкого порошка, легко гранулирующегося для последующей переработки.

Недостаток эмульсионного метода состоит в сложности отделения порошка мономера от эмульгатора, избыточное количество которого ухудшает свойства полимера и мешает получить бесцветный материал.

Применение в качестве эмульгатора высокомолекулярного вещества ─ поливинилового спирта, позволяет устранить этот недостаток. Этот метод получил название «бисерной полимеризацией», потому что полученный в результате реакции полимер напоминает по внешнему виду стеклянный бисер. Технологический процесс бисерной полимеризации несколько сложней эмульсионной, но затраты на производство полимера легко окупаются: бисер может перерабатываться непосредственно в изделия, минуя грануляцию. Преимуществом этого способа является также простота применяемого оборудования и высокая чистота производимого полимера.

Часто материалы, получаемые на основе полимеров, применяются в виде растворов. В этом случае значительно дешевле и удобней проводить полимеризацию непосредственно в растворителе. Такой метод получил название лакового, так как в результате реакции образуется то, что в обыденной жизни называют лаком. Этот способ находит довольно широкое применение в промышленности при получении поливинилацетата, полибутилакрилатов, бутвара.

Открытие возможности полимеризации газов – этилена, пропилена, изобутилена — привело к разработке метода газовой полимеризации.В этом случае полимеризация производится непосредственно в газовой фазе. Катализатор применяется тоже в виде газа. По этой технологии получают полиэтилен высокого давления.

Вторым, наиболее распространенным способом получения высокомолекулярных веществ является реакция поликонденсации. В ней участвуют не менее двух различных химических веществ, в результате взаимодействия которых образуются так называемые смолы.

Примером реакции поликонденсации может служить взаимодействие фенола и формальдегида, при котором образуется фенопласт – феноло-формальдегидная смола (см. рис. 3.2).

Рис. 3.2.

Схема реакции поликонденсации при получении фенопласта

Поликонденсационные смолы обычно получают нагреванием двух компонентов. Однако есть и такие смолы, которые образуются при комнатной температуре, например эпоксидные смолы.

Наша промышленность выпускает большое количество поликонденсационных пластмасс разных видов. К этой группе относятся аминопласты, получаемые из мочевины и формалина, и полиамиды — продукт поликонденсации двухосновных органических кислот и диаминов.