Образование полимера из неизвестного мономера

Введение
Актуальность работы. Полимер - любое из класса природных или синтетических веществ, состоящее из очень больших молекул, называемых макромолекулами, которые являются кратными более простым химическим единицам, называемым мономерами. Полимеры составляют многие материалы в живых организмах, включая, например, белки, целлюлозу и нуклеиновые кислоты. Кроме того, они составляют основу таких минералов, как алмаз, кварц и полевой шпат, и таких искусственных материалов, как бетон, стекло, бумага, пластмассы и каучуки.Слово «полимер» обозначает неопределенное количество мономерных звеньев. Когда количество мономеров очень велико, соединение называют высокомолекулярным полимером. Полимеры не ограничиваются мономерами с одинаковым химическим составом или молекулярной массой и структурой. Некоторые природные полимеры состоят из одного вида мономера. Однако большинство природных и синтетических полимеров состоят из двух или более различных типов мономеров; такие полимеры известны как сополимеры.Цель работы – рассмотреть эластомеры, волокна, пластмассы. В чем отличие и сходство. Какого их строение и свойства (механические, физические, химические). Применение различных видов материалов на основе этих полимеров. Как экспериментально определить по какому механизму (цепному или ступенчатому) идет образование полимера из неизвестного мономера.2 Литературный обзорЭластомер изготовлен из полимеров, соединенных химическими связями со слегка сшитой структурой. Без поперечных связей приложенное к эластомеру напряжение привело бы к остаточной деформации. Благодаря этому материал отличается высокой растяжимостью, гибкостью и эластичностью. Это предотвращает растрескивание или разрушение материала при деформации.Полимер — это более общий термин для любой молекулы, состоящей из длинной повторяющейся цепи более мелких связывающих молекул, называемых мономерами. Существуют органические полимеры, такие как аминокислоты и ДНК, и более известные синтетические полимеры, в том числе пластмассы, такие как реактопласты и термопласты. Синтетические полимеры ежедневно используются в продуктах вокруг нас: из полиэфирных волокон изготавливаются одежда и ковры, из полимеров изготавливаются поролоновые подушки и обивка мебели, полиэтиленовые стаканы, трубы и клапаны, полиэтиленовые пакеты, медицинские приборы, кухонная посуда, резина для шин и трубки, краски, электронные компоненты, клеи и т. д. — все это примеры полимеров.В качестве полимера эластомеры относятся к группе гибких полимерных или пластиковых материалов, включающих искусственный и натуральный каучук. Они хорошо поддаются формованию, изолируют, могут выдерживать деформацию и легко формуются в различные резиновые формы, которые затем затвердевают. Их универсальность и полезность делают применение эластомеров популярным в самых разных повседневных продуктах, от колес скейтборда и подошв кроссовок до прокладок, электронных кабелей и изоляции проводов.Эластомеры могут иметь свойства, аналогичные термореактивным полимерам или термопластам. В качестве термореактивных материалов они могут использоваться в высокотемпературных приложениях. Гибкость термореактивного эластомера, как и всех термореактивных материалов, в некоторой степени ограничена в отношении повторной обработки и переработки. После создания термореактивного эластомера его нельзя обратить вспять. С другой стороны, термопластичные эластомеры допускают повторную обработку путем нагревания материала выше температуры стеклования — температуры, при которой материал «превращается» из твердого и стеклообразного в мягкий, эластичный материал. Термопластичные эластомеры плохо подходят для применения в условиях высоких температур.Пластик представляет собой синтетический полимерный материал, обычно изготавливаемый из нефтяного или газового сырья, он может быть далее преобразован в полуфабрикаты сырья, например, волокна, пленки или листовой материал, материалы, которые могут быть далее преобразованы, соответственно, в одежду, сумки и упаковку для пищевых продуктов. лотки.Эластомеры. Они представляют собой натуральные или синтетические полимеры, натуральные, как резина, или синтетические, как пластмассы. Что особенного в них, так это их эластичные свойства. Они обладают большими свойствами удлинения. Они часто сшиты, как резина, когда она вулканизирована. Таким образом, эластомеры — это разновидность полимеров, которые могут быть пластичными.Волокно, как уже упоминалось, представляет собой полуфабрикат, полученный из пластика (например, нейлонового волокна) или эластомеров (например, эластана). Волокна можно использовать для изготовления нитей, ковров, текстиля, а также нетканых изоляционных материалов и наполнителей.Промышленность, работающая с эластомерами, давно оценила их полезные свойства:Физическая универсальность. Одним из наиболее очевидных преимуществ эластомеров является их индивидуальное литье по размеру, форме, гибкости и цвету в соответствии со спецификациями заказчика.Короткое время производства – эластомеры можно быстро смешивать, формовать, отверждать или вулканизировать, что сокращает время производства.Хороший изолятор. Его свойства с закрытыми порами обеспечивают эффективную изоляцию электронных и электрических изделий в различных бытовых и промышленных применениях.Отличная адгезия — эластомеры можно легко укладывать рядом с различными другими материалами, такими как металл, твердый пластик или различные виды резины, с хорошей адгезией.Термостойкость/химическая/ползучестойкость – эластомеры не плавятся, а переходят в газообразное состояние. Как правило, они нерастворимы, но набухают при воздействии определенных растворителей. Они имеют более низкое сопротивление ползучести, чем термопластичные материалы. Некоторые даже огнестойкие.Стойкость к воздействию окружающей среды. Термореактивные пластиковые эластомеры остаются стабильными при очень высоких температурах и устойчивы к суровым условиям окружающей среды, а также сохраняют свою форму и цвет независимо от воздействия воды или атмосферных газов. Однако существует потребность в большем количестве эластомеров, которые работают при очень низких температурах.Из-за их гибкости и эластичности эластомерных материалов, они имеют многочисленные области применения. Помимо натурального каучука, эластомеры полимеризуются для таких применений, как полиуретаны, используемые в текстильной промышленности, полибутадиены, используемые для колес или шин, неопрен, используемый для гидрокостюмов, изоляции проводов, промышленных ремней и силикона, который используется в широком диапазоне материалов: медицинские приборы, литье, смазочные материалы и т.д.Разница между эластомером и полимером заключается в том, что эластомеры представляют собой уникальный полимер с уникальными характеристиками и свойствами. Применений много, и они широко используются во многих отраслях, особенно в автомобильной, спортивной, электронной и сборочной промышленности.Термореактивные полимеры отверждаются в постоянную форму посредством необратимого процесса. В дополнение к вторичным связям, упомянутым для термопластов, термореактивные материалы имеют ковалентные связи, которые сшивают полимерные цепи. Эти ковалентные связи имеют значительно более высокую энергию и не разрушаются при нагревании, что, в свою очередь, препятствует движению полимерной цепи. Чрезмерный нагрев термореактивного материала вызовет термическую деградацию. Когда применяется достаточно тепла, чтобы разрушить поперечные связи, основная цепь полимера также начнет разрушаться. Распространенные термоактивные полимеры: фенолы, эпоксидные смолы и полиэфиры.Второй способ классификации полимеров — их реакция на механическую силу. По определению пластмассы — это полимерные материалы, сохраняющие структурную целостность (форму) под нагрузкой. Способность пластика сохранять свою форму под нагрузкой во многом зависит от расположения его полимерных цепей. Расположение цепи может иметь аморфную форму или различную степень кристалличности, что отражается на их свойствах. Чтобы считаться пластиком, материал должен работать ниже температуры стеклования (если он аморфный), ниже температуры плавления (если кристаллин) или иметь плотность сшивки, достаточную для сохранения его формы. Пластмассы охватывают множество различных полимерных материалов, включая полиамид, поликарбонат, винил и другие. Пластмассы могут быть термопластичными или термореактивными.Эластомеры, широко известные как каучук, отличаются от пластиков тем, что они обладают большой способностью к упругой деформации под действием приложенного напряжения. Другими словами, они могут быть растянуты на 100% своей первоначальной длины без остаточной деформации. Деформация эластомерного материала компенсируется молекулярной структурой и расположением полимерной цепи. Длинная полимерная цепь сильно скручена, свернута и переплетена в состоянии покоя. При приложении напряжения цепь разматывается и становится линейной. Как только напряжение снимается, цепи возвращаются в исходное ненагруженное состояние. Чтобы цепь находилась в крайне неорганизованном состоянии в состоянии покоя, молекулярная структура эластомера не должна выравниваться и создавать кристаллическую структуру.Распространенным способом предотвращения кристалличности и регулярного выравнивания цепей является добавление боковых групп к цепи или использование более одного мономера. Последним компонентом эластомера является сшивка. При сшивке полимерные цепи соединяются химическими связями. Связи ограничивают движение и увеличивают силу. Как правило, эластомеры классифицируются как термореактивные. Тем не менее, существует подгруппа термопластов, называемых термопластичными эластомерами, которые обладают резиноподобными характеристиками при температуре окружающей среды, но все еще являются термопластичными по своей природе.Эластомеры сами по себе имеют ограниченное коммерческое применение из-за своих свойств (в зависимости от использования). Компаундирование базового эластомера путем добавления различных материалов может увеличить прочность, уменьшить деградацию, улучшить технологичность и снизить стоимость. Выбор правильного эластомера до компаундирования является ключом к успеху. Свойства, присущие базовому эластомеру, будут определять пригодность для применения. Компаундирование может улучшить эластомер, но не полностью устранит его изначальные недочеты. Высокая формуемость эластомеров делает этот материал пригодным для герметизации компонентов, но ограничивает его использование в приложениях, где сохранение формы имеет решающее значение.3 Как экспериментально определить по какому механизму (цепному или ступенчатому) идет образование полимера из неизвестного мономераСтупенчатый рост и рост цепи представляют собой два широких класса методов полимеризации. Они используют мономеры с различными характеристиками и демонстрируют разные модели роста.Конденсационная полимеризация происходит через процесс ступенчатого роста. В классической реакции конденсации карбоновая кислота реагирует с нейтральным нуклеофилом, таким как спирт или амин. Замещение приводит к образованию либо сложного эфира (из нуклеофила спирта), либо амида (из нуклеофила амина) с водой в качестве побочного продукта. Например, нейлон-6,6 представляет собой конденсационный полимер (рис. 1).Рисунок 1. – Нейлон-6,6Нейлон-6,6 получают в результате реакции конденсации 1,6-гександиовой кислоты (или адипиновой кислоты) и 1,6-гександиамина (или гексаметилендиамина) (рис. 2). Концевая аминогруппа нуклеофила теряет протон, а карбоновая кислота теряет ОН-группу из-за формальной потери одной молекулы воды каждый раз, когда образуется амидная связь.Рисунок 2. – Реакция конденсации 1,6-гександиовой кислоты (или адипиновой кислоты) и 1,6-гександиамина (или гексаметилендиамина)Полиэтилентерефталат или РЕТЕ является очень распространенным примером полиэфира (рис. 3).Рисунок 3. – ПолиэтилентерефталатПЭТЭ образуется в результате реакции диметилтерефталата с 1,2-этандиолом (или этиленгликолем) (рис. 4). И снова происходит реакция конденсации с образованием небольшой молекулы в качестве побочного продукта. Группа OMe замещается у карбокси-электрофила, а протон теряется у нуклеофильной спиртовой группы, что дополняет формальную потерю метанола.Рисунок 4. – Реакция диметилтерефталата с 1,2-этандиолом (или этиленгликолем)Стоит поговорить об условиях, используемых для этих реакций. В случае бумаги мы могли бы подумать об использовании более реакционноспособных мономеров, таких как электрофилы ацилгалогенидов, чтобы иметь гораздо более быстрые реакции. Однако эти реакции являются либо экзотермическими в случае полиамида, либо термонейтральными в случае полиэфира, который образуется в результате переэтерификации. Обе реакции протекают в равновесии. Хотя они могут быть относительно медленными, в конце концов они все же должны получить продукт, особенно если равновесие может быть смещено вправо. В обоих этих случаях такой сдвиг может быть достигнут за счет удаления побочных продуктов воды или метанола, которые являются относительно летучими по сравнению с другими реагентами.Обратите также внимание, что нейтральный нуклеофил и относительно плохие уходящие группы в этих случаях говорят о том, что реакция будет довольно медленной. Чтобы ускорить процесс, можно добавить кислоту Льюиса (например, оксид сурьмы Sb2O5, использованный во втором примере).Мономеры, используемые в ступенчатой ​​полимеризации, обычно имеют несколько характеристик. Чаще всего это два разных мономера. Ни один из мономеров не подвергается полимеризации сам по себе, но эти два мономера дополняют друг друга, так что каждый обеспечивает другого соответствующим реакционноспособным партнером.Что еще более важно, каждый из мономеров, которые мы здесь видели, многофункционален. В этом контексте функциональность описывает количество реактивных функциональных групп. Каждый из рассмотренных нами до сих пор мономеров содержит две функциональные группы; каждый из них имеет функциональность, равную двум, или каждый из них является двухфункциональным. После того, как функциональная группа прореагировала на бифункциональный мономер, у нее все еще есть другой, который может реагировать. Таким образом, каждый мономер может образовывать связи с двумя другими, что позволяет образовывать цепи.Эта более высокая функциональность необходима для ступенчатой ​​полимеризации. Мономеры могут быть трифункциональными, тетрафункциональными и т. д., что приводит к более сильно разветвленным или химически сшитым полимерам, а не к простым цепям.Из-за бифункциональности мономеров конденсационные полимеры могут расти сразу в двух направлениях (рис. 5). Два комплементарных мономера соединяются друг с другом, образуя димер. Теперь предположим, что все мономеры реагируют примерно с одинаковой скоростью. Когда один конец димера снова начинает реагировать, велика вероятность, что он найдет другой димер, потому что большинство мономеров уже прореагировало. В результате этой реакции образуется тетрамер. Рисунок 5. – Рост конденсационных полимеровПри цепной полимеризации мы обычно начинаем только с одного вида мономера, который сам по себе нереакционноспособен (рис. 6). На этот раз вместо добавления комплементарного мономера мы добавляем инициатор. Инициатор превращает одну молекулу мономера в реакционноспособный промежуточный продукт, способный реагировать с другим мономером с образованием нового реакционноспособного промежуточного продукта и так далее. Это цепная реакция.Рисунок 6. – Цепная реакция полимераОбратите внимание на отличие от ступенчатого роста. При росте цепи полимерная цепь всегда растет по одному мономеру за раз (рис. 7). При ступенчатом росте полимерная цепь удваивается с каждым шагом. В результате скорость роста полимерной цепи в этих двух случаях сильно различается.Рост цепи приводит к постоянному увеличению длины цепи с каждым шагом сцепления. Рост линейный.Рисунок 7. – Рост полимерной цепиЦепь растет экспоненциально, с удвоением длины цепи на каждом шаге соединения (рис. 8). Обратите внимание, что ось Y на этом графике логарифмическая, а не линейная.Рисунок 8. – Экспоненциальный рост цепи Каковы последствия этих двух моделей роста? Давайте посмотрим, сколько шагов потребуется, чтобы сформировать высокомолекулярный полимер, возможно, с молекулярной массой один миллион г/моль (иногда выражаемый как один миллион Дальтон в химии полимеров;). Начиная с мономера с молекулярной массой 100 г/моль и используя ступенчатый рост, при котором длина цепи удваивается каждый раз, когда происходит реакция, потребуется всего тринадцать или четырнадцать шагов, чтобы достичь молекулярной массы в миллион Да (рис. 9). Используя рост цепи, потребовалось бы 10000 шагов, чтобы достичь той же молекулярной массы, предполагая мономер аналогичного размера.Рисунок 9. – Формирование высокомолекулярного полимераЭто очень приблизительный расчет, и в нем не учитывается масса побочных продуктов при конденсационной полимеризации, но мы рассматриваем различия на порядки величины.Почему эта разница значительна? Во-первых, не имеет большого значения, если реакция конденсации протекает медленно. Если требуется всего 20 или даже 30 шагов, чтобы достичь молекулярной массы в миллион (что не является чем-то неслыханным для коммерческого полимера, но все же довольно высоким), то спешить некуда. При цепной полимеризации скорость намного выше. Нам нужны очень быстрые реакции или иногда очень быстрые катализаторы, которые могут развернуться и надежно сцепить мономер за мономером.Если мы возьмем эти два общих метода и посмотрим на них по-другому, мы получим новую информацию. Если вместо того, чтобы думать о количестве событий связывания или шагов реакции, мы сосредоточимся на процентном преобразовании, мы получим график, который выглядит следующим образом (рис. 10).Рисунок 10. – Рост полимераС этой точки зрения мы видим линейный характер роста цепи. Каждый раз, когда добавляется новый мономер, полимерная цепь увеличивается на одну и ту же величину (вес или длину одного нового повторяющегося звена, в зависимости от того, уменьшаем ли мы с точки зрения молекулярной массы или длины цепи). Ступенчатый рост работает экспоненциально: удвоение, учетверение и так далее. Оба режима полимеризации в идеале протекают до тех пор, пока весь мономер полностью не прореагирует; другими словами, до 100% конверсии. Но что произойдет, если рост внезапно остановится из-за какой-то нежелательной побочной реакции? При ступенчатом росте такое событие, происходящее даже на очень поздних стадиях полимеризации, может привести к тому, что длина цепи окажется вдвое меньше, чем мы ожидали. Такие катастрофические результаты в росте цепей могут быть получены только в том случае, если рост остановится после потребления только половины мономера. Остановка роста цепи при конверсии 80 или 90% по-прежнему приводит к довольно длинным полимерным цепям, даже если они не соответствуют ожидаемой длине. Из-за этой особенности ступенчатая полимеризация требует очень надежного химического состава. В противном случае ступенчатый рост всегда приводил бы к относительно коротким цепочкам.В любом случае нужно понимать, что за полимеризацией часто следует реакция гашения, чтобы остановить процесс, как только полимер достигнет желаемой длины цепи. Обычно это приводит к полимеру с двумя разными группами на конце цепи (рис. 11). Выбор этих групп иногда может быть полезен для модификации свойств полимера.Рисунок 11. – Полимер с двумя разными группами на конце.Однако представьте себе случай, когда это завершение происходит случайно. При росте цепи полимер имеет реакционноспособный промежуточный продукт только на одном конце. Если что-то закроет этот конец полимерной цепи, она вообще перестанет расти (рис. 12). Неожиданные завершения могут стать серьезной проблемой при росте цепи.Рисунок 12. – Случайное завершение роста полимераКонечно, они также являются проблемой при ступенчатом росте, но при ступенчатом росте полимер растет с двух концов (рис. 13). Если один конец закрыт, другой конец может продолжать расти. Полимер будет расти медленнее, но не остановится совсем.Рисунок 13. – Ступенчатый рост полимераВ результате существует потребность в разработке более надежных способов роста цепи. Это особенно важно, потому что один неверный шаг, и рост цепи полностью останавливается. Рост цепи, по сути, является важным способом получения полимеров, несмотря на то, что здесь могут быть некоторые ограничения. Основная причина заключается в том, что ступенчатый рост в основном ограничивается конденсационной полимеризацией карбоксилоидных соединений, таких как полиамиды и полиэфиры, а также некоторых родственных материалов, таких как полиуретаны. Рост цепи используется для полимеризации широкого спектра соединений, содержащих двойные углерод-углеродные связи (алкены или олефины), а также различных циклических мономеров. Оба способа необходимы для создания ряда полезных материалов.4 Заключение
Изучение таких материалов относится к области химии полимеров. Изучение природных полимеров во многом пересекается с биохимией. Синтез новых полимеров, исследование процессов полимеризации, характеристика структуры и свойств полимерных материалов ставят перед химиками полимеров уникальные задачи.Химики-полимерщики разрабатывают и синтезируют полимеры, которые различаются по твердости, гибкости, температуре размягчения, растворимости в воде и биоразлагаемости. Они производят полимерные материалы, такие же прочные, как сталь, но более легкие и более устойчивые к коррозии. Нефтяные, газовые и водопроводные трубопроводы в настоящее время обычно сооружаются из пластиковых труб. В последние годы автопроизводители увеличили использование пластиковых компонентов для создания более легких автомобилей, потребляющих меньше топлива. Другие отрасли промышленности, такие как производство текстиля, резины, бумаги и упаковочных материалов, основаны на химии полимеров.Помимо производства новых видов полимерных материалов, исследователи занимаются разработкой специальных катализаторов, необходимых для крупномасштабного промышленного синтеза коммерческих полимеров. Без таких катализаторов процесс полимеризации в некоторых случаях был бы очень медленным.5
Список использованной литературы

Аким Э. Л. РЕЛАКСАЦИОННОЕ СОСТОЯНИЕ РАСТИТЕЛЬНЫХ ПОЛИМЕРОВ–В ПРИРОДЕ И ПРИ ИХ БИОРЕФАЙНИНГЕ //Физикохимия растительных полимеров. – 2019. – С. 9-13.Жильцов А. С., Кинд А. В., Гринштейн И. Л. АНАЛИТИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ SHIMADZU ДЛЯ АНАЛИЗА РАСТИТЕЛЬНЫХ ПОЛИМЕРОВ //Физикохимия растительных полимеров. – 2019. – С. 16-17.Климова Е. Д., Нагорнова И. В. АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ РАСТИТЕЛЬНЫХ ПОЛИМЕРОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В ПРОИЗВОДСТВЕ БУМАГИ НА КАЧЕСТВО СТРУЙНОЙ ПЕЧАТИ //Физикохимия растительных полимеров. – 2019. – С. 97-101.Evstigneyev E.I., Yuzikhin O.S., Gurinov A.A., Ivanov A.Yu., Artamonova T.O., Khodorkovskiy M.A., Bessonova E.A., Vasilyev A.V. Journal of Wood Chemistry and Technology, 2016, V. 36, N. 4, P. 259-269. Evstigneyev E.I., Kalugina A.V., Ivanov A.Yu., Vasilyev A.V. Journal of Wood Chemistry and Technology, 2017, V. 37, N. 4, P. 294-306. Evstigneyev E.I., Mazur A.S., Kalugina A.V., Pranovich A.V., Vasilyev A.V. Journal of Wood Chemistry and Technology, 2018, V. 38, N. 2, P. 137-148. Evstigneyev E.I., Grinenko E.V., Mazur A.S., Vasilyev A.V. Journal of Wood Chemistry and Technology, 2021, doi: 10.1080/02773813.2021.1873389