|
|
Синтез сополимеров. Для достижения цели необходимо решить ряд задач
Синтез линейно-разветвленных сополимеров состава полилактид - блок - полиглицерин и получение нетканых материалов на их основе
Содержание
Введение
Полимерные материалы все более интенсивно интегрируются в окружающий человека мир как продукт индустриализации. Уникальный набор свойств позволяет им успешно конкурировать с традиционными материалами – металлом, бумагой, стеклом или бетоном.
Полимерные материалы используются в космической и авиационной отраслях (крупногабаритные конструкции сложной формы, декоративная отделка), жилищно-коммунальном хозяйстве (трубы, емкости), строительной отрасли, медицине (протезы) и др. [7]. В свою очередь постоянно расширяется и спектр методов изготовления полимеров, разнообразие которых позволяет более гибко подходить к решению конструкционных проблем.
Каждый существующий метод переработки (автоклавное формование, контактное формование, намотка, безавтоклавные методы, прессование в формах и др.) обладает своими преимуществами и недостатками и применяется для решения конкретных задач [2]. Например, для изготовления индивидуального протеза стопы или иного малосерийного изделия целесообразно использовать одни технологии, а для корпуса корабля длиной ˃70 м – другие [2].
Одним из основных направлений в химии высокомолекулярных соединений является разработка различных путей модификации известных полимеров с целью создания на их основе полимерных материалов с комплексом новых ценных свойств. Синтетически достигается это за счет комбинирования и объединения звеньев или блоков различных классов полимеров в одной макромолекуле.
Целью выпускной квалификационной работы является исследование синтеза линейно-разветвленных сополимеров состава полилактид - блок - полиглицерин и получение нетканых материалов на их основе.
Для достижения цели необходимо решить ряд задач:
- изучить теоретические сведения по исследуемой теме;
- исследовать структуру сополимеров методами ЯМР, ГПХ;
- рассмотреть процесс синтеза сополимеров состава полилактид - блок – полиглицерин;
- провести анализ получения нетканых материалов на основе полученных соединений.
Объектом исследования является сополимеры состава полилактид - блок – полиглицерин.
Предмет исследования – синтез получения полимерных соединений.
В настоящее время массово распространены простые, недорогие и более производительные методы изготовления полимерных материалов.
Разнообразие видов полимеров, изменение комплекса их свойств в широких пределах, возможности модификации состава и структуры связаны с тем, что для их получения в качестве связующих используются практически все известные термопласты и реактопласты [6], а также большое количество разнообразных материалов и веществ, которые используются в качестве наполнителей в виде дисперсного порошка, волокон, тканых, нетканых, листовых и пористых объемных материалов. Это позволяет одновременно снизить себестоимость производства, темпы накопления отходов и избежать загрязнения окружающей среды.
1. Теоретические сведения синтеза линейно-разветвленных сополимеров
Под сополимеризацией подразумевается совместная полимеризация двух или более мономеров. Сополимеризация является наиболее доступным и эффективным способом модификации свойств и, тем самым, расширения номенклатуры полимерных материалов.
Полимеры с линейно-разветвленной структурой помимо основной цепи имеют боковые ответвления. К типичным полимерам с линейно-разветвленной структурой относится полипропилен.
Совместная полимеризация двух или нескольких мономеров является важным методом синтеза многих полимеров. Этим методом удается получать полимеры с новыми свойствами и изменять свойства полимеров в желаемом направлении: увеличивать или уменьшать механическую прочность или эластичность, повышать или понижать температуру плавления, изменять растворимость и т.д. Однако свойства сополимеров не является простой суммой свойств полимеров, образуемых каждым из данных мономеров в отдельности, так как изменение свойств, вызываемое введением в полимер звеньев второго мономера, не пропорционально его количеству.
Кроме того, метод сополимеризации позволяет расширить круг используемых веществ, т.к. значительное число соединений, неспособных полимеризоваться в отдельности, легко полимеризуются совместно с другими непредельными веществами. В качестве примера подобных соединений могут быть малеиновый ангидрид, эфиры малеиновой кислоты, а-метилстирол и др.
Процесс сополимеризации включает те же стадии, что и гомополимеризация: инициирование, рост цепи, обрыв и передача цепи. Однако описание этих стадий существенно усложняется, поскольку с увеличением числа сомономеров увеличивается количество элементарных реакций на каждой стадии.
В промышленности линейно-разветвленные полимеры получают сополимеризацией в растворе или массе (блоке) мономера, большое распространение получили процессы полимеризации в газовой фазе.
1.1 Полимеризация в массе
При блочной полимеризации, иначе называемой полимеризацией в массе, полимер содержит минимальное количество примесей. Однако по мере протекания реакции повышается вязкость системы, ухудшаются условия теплопередачи (на стадии роста реакция является экзотермической), что приводит к получению продуктов с пониженным молекулярным весом и широким молекулярно-весовым распределением (высокой полидисперсностью). Вообще говоря, любой полимерный продукт практически является полидисперсным, однако слишком большая полидисперсность часто нежелательна, особенно при синтезе пленкообразователей; фракции с низкой степенью полимеризации ухудшают физико-механические показатели последних, а слишком высокомолекулярные фракции плохо растворимы.
Преимущества:
Минимальное количество компонентов;
Отсутствие стадии выделения полимера из реакционной среды;
Позволяет получить полимеры с высокой степенью чистоты;
Единственный способ получения оптического органического стекла;
Минимальное загрязнение окружающей среды.
Недостатки:
Сложность отведения тепла при глубокой степени превращения;
Тепловые флуктуации приводят к образованию широкого ММР;
Локальные флуктуации температуры приводят к деструкции;
Локальное испарение мономера и образвание дефектов (раковин).
Полимеризацию в блоке (массе) проводят в отсутствие растворителя, благодаря чему не происходит загрязнения полимера примесями, находящимися в растворителе.
Для проведения такой полимеризации раствор инициатора в мономере выдерживают необходимое время в форме при строго определенной температуре. При необходимости в реакционную массу добавляют также регуляторы и пластификаторы. Готовый полимер может иметь форму блока, стержня, трубки и т.д. Этим путем получают наиболее прозрачные материалы, широко используемые в качестве органического стекла. Ввиду увеличения вязкости и снижения теплопроводности реакционной массы теплота реакции отводится недостаточно быстро. Вследствие этого возникают местные перегревы, приводящие к деструкции полимера, снижению степени полимеризации.
В связи с этим полимеризация различных слоев мономера происходит при неодинаковой температуре. Нарушается линейное строение макромолекул и увеличивается полидисперсность по молекулярным массам. Кроме того, давление паров мономера в глубине блока, вызванное перегревом, создает внутренние напряжения в полимере. В лучшем случае такие напряжения приводят к неоднородности блока по физико- химическим свойствам, в худшем - к вздутиям и трещинам. Чем больше размеры отливаемого образца, тем труднее получить технически пригодный материал.
Значительная усадка при блочной полимеризации, обусловленная большей плотностью полимера по сравнению с плотностью мономера, уменьшает точность отливки. Указанные недостатки частично могут быть устранены проведением полимеризации с небольшой скоростью или при температурах, превышающих температуру плавления полимера. Однако это возможно в случае, если плавление полимера не сопровождается его разложением.
Метод блочной полимеризации используют в технике очень ограниченно, в основном, для получения полиметакрилатов, полистирола и поливинилацетата, а также тогда, когда полимер не растворим в мономере (полимеризация винилхлорида или акрилонитрила). В последнем случае реакцию прерывают на относительно небольших степенях превращения и отделяют нерастворимый полимер от мономера. Так как при такой прерванной полимеризации вязкость системы сравнительно невелика, то таким образом можно частично устранить недостатки, присущие обычной блочной полимеризации.
1.2 Полимеризация в газовой фазе.
Газофазная полимеризация – способ проведения полимеризации, при котором мономер находится в газовой фазе, а продукт реакции образует твердую дисперсную или жидкую фазу. Ранее из-за сложности регулирования теплоотвода распространение в мировой практике получила только газовая полимеризация этилена при высоком давлении (100-300 МПа), протекающая по свободнорадикальному механизму.
Скорость газофазной полимеризации зависит от скорости диффузии мономера из газовой фазы в зону реакции и к активным центрам роста цепи в конденсированной фазе; от растворимости и сорбции мономера полимерной фазой; от удельной поверхности частиц катализатора, нанесенных на твердый сорбент при гетерогенной полимеризации. В зависимости от способа инициирования рост цепей может происходить в газовой фазе с последующей агрегацией образовавшихся макромолекул или в частицах полимера.
Преимущества:
Нет необходимости применять растворители;
Возможно эффективно применять фото- и радиоинициирование;
Недостатки:
Необходимость применения высокого давления ( 108 Па);
Очень плохой отвод тепла;
Изменение кинетики полимеризации при появлении твердой фазы;
Свойства конечных продуктов, таких, как средине молекулярные массы, молекулярно-массовое распределение, молекулярная структура и химическая однородность, значительно зависят от следующих факторов:
Эффективность теплоотвода при полимеризации;
Одинакового времени пребывания реагентов в зоне реакции;
Эффективности перемешивания, обеспечивающего однородный температурный профиль и равномерное распределение реагентов в реакционной среде;
В этом процессе реакционная масса представляет собой раствор полимера в мономере. Впоследствии быстрое развитие получила газофазная полимеризация в псевдосжиженном слое на высокоэффективном металлоорганическом катализаторе, нанесенном на твердый тонкодисперсный носитель (например, силикагель). В реактор непрерывно или периодически вводят катализатор и газообразный мономер под давлением 1-3 МПа, создающий псевдосжиженный слой частиц катализатора.
В результате полимеризации мономера частицы катализатора укрупняются, оседают и периодически удаляются из реактора. Мономер циркулирует в системе реактор‒выносной холодильник‒компрессор, обеспечивая тем самым отвод тепла реакции. Степень превращения мономера за один проход 1-3 %, поэтому объем реактора велик и при производительности 70-100 тыс. т/год составляет до 600 м3. В некоторых реакторах применяют дополнительные перемешивающие устройства.
2. Исследование структуры сополимеров методами ЯМР, ГПХ
3. Синтез сополимеров состава полилактид - блок – полиглицерин
4. Получение нетканых материалов
Заключение
Синтез полимеров сопровождается соединением мономеров в длинные цепи для создания новых соединений. С присоединением большого количества звеньев структура, молекулярная масса и свойства веществ меняются, что позволяет делать их пластичными, жидкими, твёрдыми или прозрачными. Синтезированные полимеры применяются в медицине, самолётостроении, автомобильной, атомной, сельскохозяйственной, космической и других отраслях промышленности.
Список использованной литературы
ПРОЦЕССЫ НАПРАВЛЕННОГО СИНТЕЗА И МОДИФИКАЦИИ ПОЛИМЕРОВ
Лавров Н.А.
Пластические массы. 2019. № 9-10. С. 3-7.
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ СИНТЕЗА ПОЛИМЕРОВ
Романко О.И., Елисеева Е.А.
Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2018. № 2. С. 221-225.
Нейн Ю.И. и др. Химия и технология высокомолекулярных соединений Екатеринбург: Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина, 2018. — 116 с. |
|
|
Скачать 31.56 Kb.