Schreiben Sie eine Reaktionsgleichung für die Polymerisation von Polystyrol. Emulsionspolymerisation von Styrol
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Thema: Polymerisation von Styrol in Emulsion
Der Zweck der Arbeit: Durchführung der Polymerisation von Styrol nach dem Emulsionsverfahren, Darstellung der Abhängigkeit der Polystyrolausbeute von der Zeit, Bestimmung des Molekulargewichts des Polymers nach dem viskosimetrischen Verfahren.
Theoretischer Teil
Polymerisation ist der Prozess der Bildung makromolekularer Verbindungen als Ergebnis der Kombination einer großen Anzahl von Monomermolekülen zu einem Makromolekül. In diesem Fall haben die Monomer- und Polymermoleküle die gleiche elementare Zusammensetzung. Im Allgemeinen kann die Polymerisationsreaktion wie folgt dargestellt werden:
Polymerisations-Styrol-Emulsionsverfahren
wobei X ein Substitut ist. Es emittiert keine Nebenprodukte.
An der Polymerisationsreaktion können Verbindungen mit Doppel- oder Dreifachbindungen sowie Carbo- und Heterocyclen teilnehmen.
Die meisten Polymerisationsverfahren haben einen Kettencharakter und verlaufen durch die Stufen des Kettenstarts, des Wachstums und des Kettenabbruchs.
Die Ketteninitiierung erfolgt durch Bindung des aktiven Zentrums an das Monomermolekül, was zu einer hämolytischen oder heterolytischen Spaltung seiner reaktiven Bindungen führt. Das neu gebildete aktive Zentrum ist ein aktives Radikal oder ein Ion:
Je nach Art der aktiven Zentren, die den Kettenprozess initiieren, gibt es Radikale und ionisch Polymerisation.
Kettenwachstum ist eine mehrfache Wiederholung der Anlagerungsvorgänge von Monomermolekülen an das aktive Zentrum am Ende der Kette, was zur Bildung eines aktiven Polymers führt.
Der Kettenabbruch erfolgt normalerweise entweder als Ergebnis der Wechselwirkung zweier wachsender Ketten (Rekombination) oder als Ergebnis der Wechselwirkung eines wachsenden Makromoleküls mit Verunreinigungs- oder Lösungsmittelmolekülen (Kettenübertragung).
Radikalische Polymerisation
Bei der radikalischen Polymerisation ist das aktive Zentrum ein freies Radikal. Je nach Art der Bildung von Radikalen (Initiation) kann man zwischen thermischer Polymerisation, photochemischer Polymerisation, Strahlung (unter Einwirkung von Gammastrahlen, Röntgenstrahlen, beschleunigten Elektronen) sowie chemisch initiierter Polymerisation in Gegenwart chemischer Initiatoren unterscheiden - Verbindungen, die sich unter Reaktionsbedingungen leicht unter Bildung freier Radikale zersetzen.
Chemisch initiierte Polymerisation ist eine der gebräuchlichsten radikalischen Polymerisationsmethoden. Als Initiatoren dienen Peroxide, Hydroperoxide, Azo- und Diazoverbindungen, Redoxsysteme etc. Beispielsweise verläuft die Zersetzung von Benzolperoxid unter Bildung von zwei Radikalen:
Azobisisobuttersäuredinitril zerfällt unter Freisetzung von Stickstoff und bildet ebenfalls zwei Radikale:
Die Aktivierungsenergie für den Zerfall der meisten Initiatoren liegt bei über 120 kJ/mol.
Die Redox-Initiierung wird häufig bei der Polymerisation verwendet. Ein Merkmal dieser Initiierung ist eine niedrige Aktivierungsenergie, die es ermöglicht, das Verfahren bei niedrigen Temperaturen durchzuführen. Ein Beispiel für eine solche Initiierung ist die Wechselwirkung von Wasserstoffperoxid mit Eisensalzen, die zur Bildung freier Radikale führt:
Die Aktivierungsenergie in Redoxsystemen beträgt durchschnittlich etwa 40 kJ/mol.
Die Polymerisationsreaktion beginnt mit der Anlagerung freier Radikale an Monomermoleküle, die zur Bildung einer Reaktionskette führt:
Die entstehende Verbindung ist ebenfalls ein freies Radikal und reagiert dann mit einer Vielzahl von Monomermolekülen, d.h. Kette wächst:
Somit besteht das Stadium des Kettenwachstums aus einer aufeinanderfolgenden Reihe von Wechselwirkungen eines freien Radikals mit Monomermolekülen. Die Geschwindigkeit der radikalischen Polymerisation wird durch die Gleichung bestimmt
wobei k p die Wachstumsratenkonstante ist; k die Initist; k o - Geschwindigkeitskonstante des Kettenabbruchs; [I] -Konzentration des Initiators; [M] - Monomerkonzentration.
Kettenabbruch oder Kettenabbruch ist meist das Ergebnis der Wechselwirkung zweier Radikale und erfolgt entweder durch Rekombination von Makroradikalen oder durch Disproportionierung. Bei der Rekombination von Makroradikalen entsteht ein Polymermolekül, das nicht am weiteren Wachstum teilnehmen kann:
Während der Disproportionierung ändert sich die Anzahl der Makromoleküle nicht.
Kettenabbruch kann auch als Ergebnis einer Kettenübertragungsreaktion auftreten. Die Kettenübertragung erfolgt durch die Wechselwirkung wachsender Makroradikale mit Monomer-, Polymermolekülen sowie mit Verunreinigungen oder Lösungsmitteln:
Das resultierende aktive Radikal R, das mit Monomermolekülen reagiert, führt zu einer neuen Kette:
Im Falle der Bildung eines inaktiven Radikals, das die Reaktionskette nicht fortsetzen kann, stoppt die Polymerisation.
Ionische Polymerisation
Die aktiven Zentren der ionischen Polymerisation sind Ionen, die in unpolaren Lösungsmitteln Ionenpaare bilden. In polaren Lösungsmitteln treten solvatgetrennte Ionenpaare und freie Ionen auf.
Je nach Art der Katalysatoren und Ladung der entstehenden Ionen unterscheidet man kationische und anionische Polymerisation.
Kationische Polymerisation
Die kationische Polymerisation verläuft unter Einwirkung von Säuren und Fidel-Crafts-Katalysatoren (AlCl 3 , BF 3 , SnCl 4 , FeCl 3 usw.), d.h. elektronenaufnehmende Substanzen. In Gegenwart von Wasser, Säuren, Estern und anderen Substanzen, die die Rolle eines Co-Katalysators spielen, wird ein aktiver katalytischer Komplex gebildet, der die Reaktion einleitet:
Wenn dieser Komplex mit einem Monomermolekül interagiert, entsteht ein Wirkstoff Carbonenium Center:
Die Wachstumsreaktion besteht in der Anlagerung von Monomermolekülen an das aktive Carbeniumzentrum mit Regeneration dieses aktiven Zentrums am Ende der Kette:
Die Wachstumsrate wird durch die Gleichung beschrieben
wobei [C] die Katalysatorkonzentration ist.
Die kationische Polymerisation verläuft in der Regel mit sehr hoher Geschwindigkeit, was eine Durchführung des Verfahrens bei niedrigen Temperaturen erlaubt. Beispielsweise wird die Polymerisation von Isobutylen bei t = –100°C in flüssigem Ethylen durchgeführt.
Der Kettenabbruch erfolgt als molekulare Reaktion mit der Eliminierung eines Protons vom Kohlenstoffatom neben dem Carbeniumion und der Dissoziation des katalytischen Komplexes:
Anionische Polymerisation
Die anionische Polymerisation läuft in Gegenwart von Alkalimetallen, metallorganischen Verbindungen, Natriumamid, Alkalimetallalkoholaten und anderen elektronentragenden Verbindungen ab. Von größter praktischer Bedeutung ist die unter Einwirkung von Alkalimetallen oder deren Alkinen ablaufende Polymerisation.
Die Polymerisation von Acrylnitril unter Einwirkung von Kaliumamid in flüssigem Ammoniak wird durch freie Ionen aufgrund der Dissoziation des Amids verursacht:
Die Bildung eines Kohlenstoffanions erfolgt, wenn ein Amidion mit einem Monomermolekül interagiert:
Kettenwachstum tritt als Ergebnis der Wechselwirkung des resultierenden Carbanions mit dem Monomermolekül auf, um ein neues Anion zu bilden. Der Kettenabbruch erfolgt durch die Wechselwirkung des Carbanions mit dem Ammoniakmolekül unter Regenerierung des Amidions, d.h. es findet eine Kettenübertragungsreaktion statt.
Ionenkoordinationspolymerisation
Die Ionenkoordinationspolymerisation wird durch Ziegler-Natta-Komplexkatalysatoren verursacht. Am häufigsten werden metallorganische Aluminiumverbindungen und Titanchloride als Katalysatoren verwendet.
Aktive Zentren bei der Ionenkoordinationspolymerisation sind metallorganische Verbindungen des Übergangsmetalls. Sie entstehen in Gegenwart eines Cokatalysators oder bei der Wechselwirkung der Ausgangsmonomere mit Metallhydridstellen auf der Katalysatoroberfläche.
Die Bildung einer aktiven metallografischen Verbindung erfolgt wie folgt:
Das Wachstum der Polymerkette erfolgt durch die Einführung eines Monomermoleküls durch eine Bindung in den Übergangsmetall-Kohlenstoff:
Der Stufe der Einführung des Monomermoleküls geht seine Koordination am Metall unter Bildung einer instabilen p-Komponente voraus. Daher werden komplexe Katalysatoren genannt ionisch -koordinieren. Der Kettenabbruch erfolgt als Ergebnis der Migration eines Wasserstoffatoms von einem Kohlenstoffatom zu einem Metall unter Bildung eines Übergangsmetallhydrids und eines Polymermoleküls.
Die Verwendung komplexer metallorganischer Katalysatoren zur Polymerisation führt zur Bildung stereoregulär Polymere. Diese Katalysatoren sind hoch Stereospezifität.
2. POLYMERISATIONSVERFAHREN
In der Industrie wird die Polymerisation hauptsächlich auf folgende Weise durchgeführt: in der Gasphase, Block (Masse), Lösung, Emulsion und Suspension.
2.1 Gaspolymerisation
Gasförmige Monomere (Ethylen, Propylen) werden in der Gasphase polymerisiert. Der Prozess wird durch Sauerstoff initiiert, der dem Monomer in geringen Mengen (0,002 x 0,008 Vol.-%) zugesetzt und unter hohem Druck durchgeführt wird.
Wenn Ethylen mit Sauerstoff reagiert, werden Peroxid- oder Hydroperoxylverbindungen von Ethylen gebildet:
Die unter Hitzeeinwirkung instabile Peroxidbindung -O-O wird unter Bildung von Bi- und Monoradikalen aufgebrochen: OCH 2 -CH 2 O · und CH 2 = CHO ·. Freie Radikale initiieren die Polymerisation von Ethylen.
2.2 Massenpolymerisation
Die Substanzpolymerisation bzw. Massepolymerisation wird in kondensierter Phase in Abwesenheit von Lösungsmittel durchgeführt. Als Ergebnis der Polymerisation wird eine konzentrierte Lösung (oder Schmelze) des Polymers im Monomer oder eine monolithische feste Masse (Block) gebildet.
Üblicherweise wird die Blockpolymerisation in Gegenwart von Initiatoren oder thermisch initiiert durchgeführt. Wenn der Polymerisationsgrad des Monomers zunimmt, nehmen das Molekulargewicht des Mediums und seine Viskosität zu, was es schwierig macht, Wärme aus der Reaktionszone abzuführen. Dadurch kann es zu einer lokalen Überhitzung der Reaktionsmasse kommen, wodurch das Polymer mit inhomogenem Molekulargewicht erhalten wird. Daher wird die Blockpolymerisation mit geringer Geschwindigkeit durchgeführt.
2.3 Lösungspolymerisation
Es gibt zwei Möglichkeiten, die Polymerisation in Lösung durchzuführen. Das erste Verfahren verwendet ein Lösungsmittel, das sowohl das Monomer als auch das Polymer löst. Die erhaltene Polymerlösung (Lack) wird als solche verwendet oder das Polymer isoliert. Das zweite Verfahren verwendet ein Lösungsmittel, das das Monomer löst, aber das Polymer nicht löst. Das resultierende Polymer fällt aus.
Während der Lösungspolymerisation wird die Abführung der während der Reaktion erzeugten Wärme deutlich verbessert, jedoch haben die resultierenden Polymere aufgrund von Kettenübertragungsreaktionen durch das Lösungsmittel ein niedrigeres Molekulargewicht.
2.4 Emulsionspolymerisation
Bei der Emulsionspolymerisation wird üblicherweise Wasser als Dispergiermedium verwendet. Zur Stabilisierung der Emulsion werden verschiedene Emulgatoren (Oleate, Palmitate und andere Salze von Fettsäuren) verwendet. Die Emulsionspolymerisation wird in Gegenwart wasserlöslicher Initiatoren (Kaliumpersulfat, Bicarbonatpyrophosphate) durchgeführt. Mercaptane werden hinzugefügt, um die Kettenverzweigung zu reduzieren.
Um eine dünne Emulsion zu erzeugen, wird die Reaktionsmischung kräftig gerührt, wodurch das Monomer in kleine Tröpfchen zerbrochen wird, die mit einer Emulgatorschicht überzogen sind.
Die Polymerisation findet in den Adsorptionsschichten des Emulgators auf der Oberfläche von Polymer-Monomer-Partikeln statt. Das wachsende Makromolekül ist das Zentrum, um das sich das Latexpartikel bildet. Der resultierende Latex wird durch Einführen einer Elektrolytlösung in das System koaguliert und das ausgefällte Polymer wird abgetrennt. Als Ergebnis der Emulsionspolymerisation wird ein Polymer mit einem hohen Molekulargewicht und einem geringen Grad an Polydispersität erhalten.
Die Möglichkeit, das Emulsionsverfahren zu verwenden, begrenzt in einigen Fällen die Bildung einer großen Abwassermenge, die von toxischen Monomeren gereinigt werden muss, sowie die Komplexität der Trocknungsstufe des feinen Polymers. Nachteilig bei diesem Verfahren ist außerdem die Verunreinigung des Polymers mit Resten des Emulgators und anderer Zusatzstoffe, was seine elektrischen Eigenschaften verschlechtert.
2.5 Suspensionspolymerisation
Auch die Suspensionspolymerisation wird in Wasser durchgeführt. Um die Stabilität der resultierenden gröberen Emulsion zu erhöhen, werden schwache Emulgatoren verwendet - Polyvinylalkohol, wasserlösliche Celluloseether, Gelatine, Ton, Aluminiumoxid usw. Die verwendeten Initiatoren sind im Monomer löslich.
Die Polymerisation findet in Tröpfchen statt, die im Wesentlichen kleine Blöcke sind, daher wird diese Polymerisation manchmal als Tropfen-(Granulat-)Polymerisation bezeichnet.
Im Gegensatz zur Emulsionspolymerisation ist hier keine Koagulation erforderlich, da das entstehende Polymergranulat frei aus der wässrigen Phase gelöst wird.
Arbeitsauftrag
Die Polymerisation von Styrol nach dem Emulsionsverfahren wird auf einer Laboranlage durchgeführt, deren Schema in Abbildung 1 dargestellt ist.
Die Polymerisation von Styrol wird nach folgender Rezeptur (in Gewichtsteilen) durchgeführt:
Styrol 50 g.
Destilliertes Wasser 90 ml
Ammoniumpersulfat 0,35 g
Kaliumstearat 2,3 g
In einem Reaktionskolben wird bei 70°C eine Lösung des Emulgators in Wasser hergestellt. Unter gutem Rühren wird Styrol zugetropft und nach 10-15 Minuten wird der in 10 ml Wasser gelöste Initiator eingetragen. Nach 30, 60 und 90 Minuten nach dem Einbringen des Initiators werden Proben der Reaktionsmasse mit einer Pipette von jeweils genau 10 ml entnommen. Die Emulsion in den Proben wird durch Zugabe von 10 - 15 ml NaCl-Lösung und 2 Tropfen 1 N Salpetersäure zerstört.
Der beim Brechen der Emulsion gebildete Polymerniederschlag wird auf einem vorgewogenen Filter abfiltriert und mit Wasser gewaschen. Das Polymer wird an der Luft bis zur Gewichtskonstanz getrocknet.
1 - Heizmantel; 2 - Dreihalskolben; 3 - umgekehrter Kühlschrank; 4 - Wasserdichtung; 5 - Mischer; 6 - Thermometer; 7 - LATR
Abbildung 1 - Diagramm des Laboraufbaus
Verarbeitung experimenteller Daten
Die Polymerausbeute in jeder Probe wird durch die Gleichung bestimmt
wobei G n die Masse des Polymers in der Probe ist;
G M ist die Masse des Monomers in der Probe vor Versuchsbeginn.
Tabelle 1 – Zeitabhängigkeit von Masse und Polymerausbeute
Basierend auf den erhaltenen Daten bauen wir die Abhängigkeit der Polymerausbeute von der Zeit auf
Abbildung 2 – Diagramm der Polymerausbeute gegen die Zeit
Bestimmung des Molekulargewichts des Polymers
Das Molekulargewicht des erhaltenen Polystyrols wird durch das viskosimetrische Verfahren bestimmt. Dazu werden der getrockneten dritten Probe drei Einwaagen des Polymers mit einem Gewicht von 0,1 entnommen; 0,2 und 0,3 g und jeweils in 20 ml Toluol gelöst.
Zur Bestimmung des Molekulargewichts wird ein Glasviskosimeter mit zwei Risiken verwendet. Bestimmen Sie nacheinander die Verfallszeit von 20 ml reiner Toluol- und Polymerlösung, in der Reihenfolge steigender Polymerkonzentration, zwischen der oberen und unteren Markierung.
Die Bestimmung der Ablaufzeit wird für jede Probe dreimal wiederholt und der Mittelwert der Zeit bestimmt.
Tabelle 2 – Polymerfließzeit und reines Toluol.
Die erhaltenen Werte der Verfallszeit von reinem Toluol und drei Lösungen werden in den Berechnungen verwendet. Bestimmen Sie die relative Viskosität jeder Lösung nach der Formel:
wobei t die Ablaufzeit der Polymerlösung ist;
t o - Ablaufzeit des reinen Lösungsmittels.
Spezifische Viskosität:
Reduzierte Viskosität:
wobei C die Konzentration des Polymers in Lösung ist (g/100 ml Lösungsmittel).
Lassen Sie uns Konzentrationen finden:
Durch Einsetzen in die Gleichung erhalten wir:
Nachdem die reduzierte Viskosität für jede Lösung bestimmt wurde, wird die Abhängigkeit der reduzierten Viskosität von der Polymerkonzentration aufgetragen. Extrapoliert man die erhaltene Abhängigkeit auf eine Polymerkonzentration von Null, erhält man Xarakteristisch Viskosität.
Ein Beispiel für die graphische Darstellung der Abhängigkeit der reduzierten Viskosität von der Konzentration des Polymers und die Bestimmung der intrinsischen Viskosität ist in Abbildung 3 dargestellt.
Tabelle 3 – Viskositäten für drei Proben
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Abbildung 3 – Bestimmung der Grenzviskosität
Um das Molekulargewicht eines Polymers zu bestimmen, wird die Marka-Hooving-Gleichung verwendet:
Basierend auf der Gleichung der direkten Abhängigkeit der Viskosität der Polymerlösung von der Konzentration sehen wir = 1,2767, und für das Polystyrol-Toluol-System bei einer Temperatur von 25 ° C haben die Konstanten die folgenden Werte: a = 0,69, K = 1,7·10 –4 . Einsetzend erhalten wir:
M = 413875,3 g/mol
Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Styrolpolymerisation nach der Emulsionsmethode durchgeführt, die Abhängigkeit der Polystyrolausbeute von der Zeit aufgetragen und das Molekulargewicht des Polymers nach der viskosimetrischen Methode bestimmt: M = 413875,3 g/mol.
Als Verfahrensempfehlung kann berücksichtigt werden, dass zur Bildung einer feineren Emulsion eine Änderung der Konstruktion des Mischelements erforderlich ist, was zu einer besseren Herstellung von Reaktionsprodukten der Styrolpolymerisation führt.
Es ist notwendig, eine fortschrittlichere Heizung für eine präzise Steuerung der Prozesstemperatur und die beste Leistung des Prozesses für das Regime zu verwenden.
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Das Konzept und die allgemeinen Eigenschaften von Polystyrol, Merkmale seiner chemischen Struktur, physikalischen Eigenschaften und Anwendungen. Das Verfahren zur Gewinnung dieser Verbindung, die verwendeten Rohstoffe und der technologische Produktionsprozess. Stufen der Polymerisation.
Polystyrol nimmt in einer Vielzahl von Polymermaterialien eine besondere Stellung ein. Aus diesem Material werden eine Vielzahl unterschiedlicher Kunststoffprodukte für Haushalt und Industrie hergestellt. Heute lernen wir die Formel von Polystyrol, seine Eigenschaften, Gewinnungsmethoden und Gebrauchsanweisungen kennen.
allgemeine Eigenschaften
Polystyrol ist ein synthetisches Polymer, das zur Klasse der Thermoplaste gehört. Wie der Name schon sagt, ist es ein Polymerisationsprodukt von Vinylbenzol (Styrol). Es ist ein hartes glasartiges Material. Die allgemeine Formel für Polystyrol lautet wie folgt: [CH 2 CH (C 6 H 5)] n. In abgekürzter Form sieht das so aus: (C 8 H 8) n . Gebräuchlicher ist die Kurzformel Polystyrol.
Chemische und physikalische Eigenschaften
Das Vorhandensein von phenolischen Gruppen in der Formel der Struktureinheit von Polystyrol verhindert die geordnete Anordnung von Makromolekülen und die Bildung von kristallinen Strukturen. In dieser Hinsicht ist das Material starr, aber spröde. Es ist ein amorphes Polymer mit geringer mechanischer Festigkeit und hoher Lichtdurchlässigkeit. Es wird in Form von transparenten zylindrischen Granulaten hergestellt, aus denen die erforderlichen Produkte durch Extrusion gewonnen werden.
Polystyrol ist ein gutes Dielektrikum. Es ist in aromatischen Kohlenwasserstoffen, Aceton, Estern und seinem eigenen Monomer löslich. Polystyrol ist in niederen Alkoholen, Phenolen, aliphatischen Kohlenwasserstoffen und Ethern unlöslich. Beim Mischen der Substanz mit anderen Polymeren kommt es zu einer „Vernetzung“, wodurch Styrolcopolymere entstehen, die höhere Strukturqualitäten aufweisen.
Die Substanz hat eine geringe Feuchtigkeitsaufnahme und Beständigkeit gegen radioaktive Strahlung. Es wird jedoch durch die Einwirkung von Eisessig und konzentrierter Salpetersäure zerstört. Wenn Polystyrol ultraviolettem Licht ausgesetzt wird, verschlechtert es sich - Mikrorisse und Vergilbung bilden sich auf der Oberfläche und seine Zerbrechlichkeit nimmt zu. Wenn eine Substanz auf 200 °C erhitzt wird, beginnt sie sich unter Freisetzung eines Monomers zu zersetzen. Dabei verliert Styropor ab einer Temperatur von 60 °C seine Form. Bei normalen Temperaturen ist die Substanz nicht toxisch.
Die Haupteigenschaften von Polystyrol:
- Dichte - 1050-1080 kg / m 3.
- Die minimale Betriebstemperatur beträgt 40 Grad unter Null.
- Die maximale Betriebstemperatur beträgt 75 Grad Celsius.
- Wärmekapazität - 34*10 3 J/kg*K.
- Wärmeleitfähigkeit - 0,093-0,140 W / m * K.
- Wärmeausdehnungskoeffizient - 6 * 10 -5 Ohm cm.
In der Industrie wird Polystyrol durch radikalische Polymerisation von Styrol gewonnen. Moderne Technologien ermöglichen es, diesen Prozess mit einer minimalen Menge an nicht umgesetzter Substanz durchzuführen. Die Reaktion zur Gewinnung von Polystyrol aus Styrol wird auf drei Arten durchgeführt. Betrachten wir jeden von ihnen separat.
Emulsion (PSE)
Dies ist die älteste Synthesemethode, die industriell nie weit verbreitet war. Emulsionspolystyrol wird bei der Polymerisation von Styrol in wässrigen Alkalilösungen bei einer Temperatur von 85-95 °C erhalten. Für diese Reaktion werden folgende Substanzen benötigt: Wasser, Styrol, ein Emulgator und ein Initiator des Polymerisationsprozesses. Styrol wird vorläufig von Inhibitoren (Hydrochinon und Tributylpyrocatechin) entfernt. Die Initiatoren der Reaktion sind wasserlösliche Verbindungen. In der Regel handelt es sich um Kaliumpersulfat oder Wasserstoffdioxid. Als Emulgatoren werden Alkalien, Salze von Sulfonsäuren und Salze von Fettsäuren verwendet.
Der Ablauf ist wie folgt. Eine wässrige Lösung von Rizinusöl wird in den Reaktor gegossen und Styrol wird unter gründlichem Mischen zusammen mit Polymerisationsinitiatoren zugegeben. Die resultierende Mischung wird auf 85-95 Grad erhitzt. Das in Seifenmizellen gelöste Monomer, das aus den Tropfen der Emulsion stammt, beginnt zu polymerisieren. So werden Polymer-Monomer-Partikel erhalten. Während 20 % der Reaktionszeit geht mizellare Seife zur Bildung von Adsorptionsschichten über. Außerdem geht das Verfahren in die Polymerteilchen hinein. Die Reaktion ist beendet, wenn der Styrolgehalt in der Mischung etwa 0,5 % beträgt.
Als nächstes tritt die Emulsion in die Fällungsstufe ein, was es ermöglicht, den Gehalt an Restmonomer zu reduzieren. Dazu wird es mit einer Salzlösung (Tabelle) koaguliert und getrocknet. Das Ergebnis ist eine pulverförmige Masse mit einer Korngröße von bis zu 0,1 mm. Der Rest des Alkali beeinflusst die Qualität des resultierenden Materials. Es ist unmöglich, Verunreinigungen vollständig zu beseitigen, und ihre Anwesenheit verursacht eine gelbliche Tönung des Polymers. Dieses Verfahren ermöglicht es, das Polymerisationsprodukt von Styrol mit dem höchsten Molekulargewicht zu erhalten. Die so gewonnene Substanz trägt die Bezeichnung PSE, die in technischen Dokumenten und alten Lehrbüchern über Polymere immer wieder zu finden ist.
Aufhängung (PSS)
Dieses Verfahren wird nach einem periodischen Schema in einem Reaktor durchgeführt, der mit einem Rührer und einem wärmeabführenden Mantel ausgestattet ist. Zur Herstellung von Styrol wird es unter Verwendung von Emulsionsstabilisatoren (Polyvinylalkohol, Natriumpolymethacrylat, Magnesiumhydroxid) sowie Polymerisationsinitiatoren in chemisch reinem Wasser suspendiert. Der Polymerisationsprozess erfolgt unter Druck bei stetigem Temperaturanstieg bis 130 °C. Das Ergebnis ist eine Suspension, aus der durch Zentrifugation fabrikneues Polystyrol abgetrennt wird. Danach wird die Substanz gewaschen und getrocknet. Diese Methode ist ebenfalls veraltet. Es eignet sich hauptsächlich für die Synthese von Styrolcopolymeren. Es wird hauptsächlich bei der Herstellung von expandiertem Polystyrol verwendet.
Sperre (PSM)
Die Gewinnung von Allzweckpolystyrol im Rahmen dieses Verfahrens kann nach zwei Schemata erfolgen: vollständiger und unvollständiger Umsatz. Die thermische Polymerisation nach einem kontinuierlichen Schema wird auf einem System durchgeführt, das aus 2–3 in Reihe geschalteten Kolonnenapparaturreaktoren besteht, von denen jeder mit einem Rührer ausgestattet ist. Die Reaktion wird stufenweise durchgeführt, wobei die Temperatur von 80 auf 220 °C erhöht wird. Wenn der Styrol-Umwandlungsgrad 80–90 % erreicht, stoppt der Prozess. Bei der Methode der unvollständigen Umwandlung erreicht der Polymerisationsgrad 50-60 %. Die Reste von nicht umgesetztem Styrolmonomer werden aus der Schmelze durch Vakuum entfernt, wodurch ihr Gehalt auf 0,01 bis 0,05 % gebracht wird. Das nach dem Blockverfahren gewonnene Polystyrol zeichnet sich durch hohe Stabilität und Reinheit aus. Diese Technologie ist die effizienteste, auch weil sie praktisch keinen Abfall hat.
Anwendung von Polystyrol
Das Polymer wird in Form von transparenten zylindrischen Körnern hergestellt. Sie werden durch Extrusion oder Gießen bei einer Temperatur von 190-230 °C zu Endprodukten verarbeitet. Aus Polystyrol werden eine Vielzahl von Kunststoffen hergestellt. Es wurde aufgrund seiner Einfachheit, seines niedrigen Preises und einer großen Auswahl an Marken verbreitet. Aus dem Stoff werden viele Gegenstände gewonnen, die aus unserem täglichen Leben nicht mehr wegzudenken sind (Kinderspielzeug, Verpackungen, Einweggeschirr etc.).
Polystyrol ist im Bauwesen weit verbreitet. Daraus werden wärmedämmende Materialien hergestellt - Sandwichplatten, Platten, feste Schalungen usw. Darüber hinaus werden aus dieser Substanz Vhergestellt - Deckenbaguettes und Dekorationsfliesen. In der Medizin wird das Polymer zur Herstellung von Einweginstrumenten und einigen Teilen in Bluttransfusionssystemen verwendet. Expandiertes Polystyrol wird auch in Wasseraufbereitungssystemen verwendet. Die Lebensmittelindustrie verwendet tonnenweise Verpackungsmaterial aus diesem Polymer.
Es gibt auch schlagfestes Polystyrol, dessen Rezeptur durch Zugabe von Butadien und Styrol-Butadien-Kautschuk verändert wird. Diese Art von Polymer macht mehr als 60 % der Gesamtproduktion von Polystyrol-Kunststoff aus.
Aufgrund der extrem niedrigen Viskosität der Substanz in Benzol können dünnflüssige Lösungen in geringen Konzentrationen erhalten werden. Dies führt zur Verwendung von Polystyrol als Teil einer der Napalmarten. Es spielt die Rolle eines Verdickungsmittels, bei dem mit zunehmendem Molekulargewicht von Polystyrol die Viskositäts-Temperatur-Abhängigkeit abnimmt.
Vorteile
Weißes thermoplastisches Polymer kann ein hervorragender Ersatz für PVC-Kunststoff und transparent sein - für Plexiglas. Bekanntheit erlangte die Substanz vor allem durch ihre Flexibilität und leichte Verarbeitbarkeit. Es ist perfekt geformt und verarbeitet, verhindert Wärmeverluste und ist vor allem kostengünstig. Da Polystyrol Licht gut durchlässt, wird es sogar in Gebäudeverglasungen eingesetzt. Es ist jedoch unmöglich, eine solche Verglasung auf der Sonnenseite zu platzieren, da sich die Substanz unter dem Einfluss von UV-Strahlung verschlechtert.
Polystyrol wird seit langem zur Herstellung von Schäumen und verwandten Materialien verwendet. Die wärmedämmenden Eigenschaften von Polystyrol im geschäumten Zustand ermöglichen den Einsatz zur Dämmung von Wänden, Böden, Dächern und Decken in Gebäuden für verschiedene Zwecke. Es ist der Fülle an Isoliermaterialien zu verdanken, allen voran Polystyrolschaum, dass die Bürger über den Stoff Bescheid wissen, den wir in Betracht ziehen. Diese Materialien sind einfach zu verwenden, widerstandsfähig gegen Fäulnis und aggressive Umgebungen sowie hervorragende Wärmedämmeigenschaften.
Mängel
Wie jedes andere Material hat auch Styropor Nachteile. Zuallererst ist es die Umweltunsicherheit (wir sprechen über das Fehlen sicherer Entsorgungsmethoden), die Zerbrechlichkeit und die Brandgefahr.
Recycling
Polystyrol selbst stellt keine Gefahr für die Umwelt dar, einige daraus hergestellte Produkte erfordern jedoch eine besondere Behandlung.
Abfallstoffe und ihre Copolymere fallen in Form von Altprodukten und Industrieabfällen an. Das Recycling von Polystyrol-Kunststoffen erfolgt auf verschiedene Arten:
- Entsorgung stark kontaminierter Industrieabfälle.
- Verarbeitung technologischer Abfälle durch Gießen, Strangpressen und Pressen.
- Entsorgung ausgedienter Produkte.
- Entsorgung gemischter Abfälle.
Die Zweitverwendung von Polystyrol ermöglicht es Ihnen, aus alten Rohstoffen neue hochwertige Produkte zu gewinnen, ohne die Umwelt zu belasten. Einer der vielversprechenden Bereiche der Polymerverarbeitung ist die Herstellung von Polystyrolbeton, der beim Bau von Flachbauten verwendet wird.
Beim thermischen Abbau oder thermisch-oxidativen Abbau entstehende Polymerabbauprodukte sind toxisch. Während der Verarbeitung des Polymers können durch teilweisen Abbau Dämpfe von Benzol, Styrol, Ethylbenzol, Kohlenmonoxid und Toluol freigesetzt werden.
Verbrennung
Wenn das Polymer verbrannt wird, werden Kohlendioxid, Kohlenmonoxid und Ruß freigesetzt. Im Allgemeinen sieht die Reaktionsgleichung für die Verbrennung von Polystyrol so aus: (C 8 H 8) n + O 2 \u003d CO 2 + H 2 O. Die Verbrennung eines Polymers, das Additive enthält (Komponenten, die die Festigkeit erhöhen, Farbstoffe usw .) führt zur Freisetzung einer Reihe weiterer Schadstoffe.
Blockpolystyrol wird durch Massepolymerisation hergestellt. Die Polymerisation von Styrol in Masse (Block) ist heute weit verbreitet. Sie kann in Gegenwart und in Abwesenheit des Initiators durchgeführt werden.
Polymerisationsinitiatoren sind aber in der Regel Benzoylperoxid, Azobisisobuttersäuredinitril etc. Die Zersetzungsprodukte der Initiatoren sind Teil von Polystyrol-Makromolekülen, wodurch es nicht möglich ist, Polystyrol mit hohen Dielektrizitätswerten nach diesem Verfahren zu erhalten.
In der Industrie wird zur Gewinnung von hochreinem Polystyrol ohne Initiator polymerisiert (thermische Polymerisation).
Die Kinetik der radikalischen Polymerisation von Styrol bis zu tiefen Umwandlungen ist viel vollständiger untersucht worden als die Kinetik der Polymerisation anderer Monomere. Dadurch ist es möglich, das Temperaturregime der Polymerisation sehr genau zu berechnen, um Polystyrol mit gewünschten Eigenschaften zu erhalten.
Thermische Polymerisation von Styrol bis zum vollständigen Umsatz Monomer kontinuierlicher Weg in Kolonnenapparaturen ohne Rühren (Prinzip der "idealen" Verdrängung) wird derzeit nicht angewendet, da dieses Verfahren eine Reihe gravierender Nachteile aufweist. Die Hauptnachteile des technologischen Verfahrens der Polymerisation von Styrol in Masse mit vollständigem Umsatz des Monomers sind seine lange Dauer, die Notwendigkeit, das Verfahren bei hohen Temperaturen durchzuführen. (200-230 °С) in den Endstufen, um eine hohe Umwandlung (99 %) zu erreichen und ein Polymer mit einem niedrigen Molekulargewicht (Abbildung 1) und einer breiten Molekulargewichtsverteilung zu erhalten. Außerdem steigt mit der Umwandlungstiefe die Viskosität der Reaktionsmasse stark an und erreicht das Ende des Prozesses 1 10 3 – 1 10 4 Pa s. Durchführung der thermischen Polymerisation von Styrol bis zu unvollständiger Monomerumsatz (80-95%) in einer Apparatekaskade unter Rühren (Prinzip der "idealen" Durchmischung) und der Entfernung von Restmonomeren erlaubt es, die Reaktion bei niedrigeren Temperaturen durchzuführen (140-160 °С) und erhalten Polystyrol aus engere Molekulargewichtsverteilung. Dies sorgt für eine deutliche Prozessintensivierung und die Produktion von höherwertigem Polystyrol.
Technische Verfahren zur Polymerisation von Styrol führen zu unvollständigem Umsatz des Monomeren wurden mit mathematischen Modellierungsmethoden entwickelt.
Der erste Schritt bei der Modellierung des Prozesses ist eine mathematische Beschreibung (Modell) der Reaktion der thermischen Polymerisation von Styrol. Zur Berechnung industrieller Prozesse kann kein vollständiges kinetisches Modell verwendet werden, sondern die Abhängigkeit der Gesamtreaktionsgeschwindigkeit vom Umsatz.
Für Polystyrol im Arbeitsbereich Temperaturen 110-150 °С Das Molekulargewicht des Polymers hängt nur von der Temperatur und nicht vom Grad der Monomerumwandlung ab: 
Die zweite Stufe der Prozessmodellierung ist die mathematische Beschreibung von Reaktoren zur Durchführung von Polymerisationsprozessen. Es enthält eine Beschreibung der Eigenschaften des Reaktionsmediums und der Wärmeaustauschbedingungen im Reaktor.
Zu den Eigenschaften des Reaktionsmediums gehören:
- Viskosität,
- Wärmeleitfähigkeit,
- Wärmekapazität,
- Dampfdruck über der Polymerlösung.
Ein Merkmal ist die Polymerisation von Styrol hohe Viskosität des Reaktionsmediums, die in Reaktoren ab schwankt 1 Vor 1 10 3 Pa s.
Um einen gegebenen Wärmeübergang in Reaktoren zu gewährleisten, werden Mischer eines bestimmten Typs verwendet und die Energiekosten für das Mischen berechnet. Bei der Umstellung auf 40% und Viskosität des Reaktionsmediums bis zu 10 Pas anwenden Blattrührer(im ersten Reaktor) bei höheren Viskositäten vorteilhaft Spiral- (Band-) Mischer.
Eines der Hauptprobleme bei der Polymerisation in einem isothermischen Reaktor ist Wärmeableitung. Durch Wärmeabfuhr durch Verdampfung und Rückführung des Monomers zur Polymerisation kann eine hohe Intensität des Styrolpolymerisationsprozesses erreicht werden. Zusätzlich erfolgt eine teilweise Wärmeabfuhr durch den Mantel der Apparatur. Die erforderliche Temperaturdifferenz zwischen der Reaktionsmasse und dem Kühlmittel im Reaktormantel wird aus der Wärmebilanzgleichung bestimmt
Q E + Q N - Q BX - Q X \u003d 0
wo Q e- Wärme der exothermen Reaktion; Qn- während des Betriebs des Mischers freigesetzte Wärme; QBX- Wärme, die zum Erhitzen des Eingangsstroms des Reaktionsmediums aufgewendet wird; Qx- Wärmeabfuhr durch die Reaktorwand.
Um eine stabile Führung im Reaktor zu gewährleisten, muss folgende Bedingung eingehalten werden: Die temperaturabhängige Änderung der Wärmeabfuhr muss schneller erfolgen als die Änderung der Wärmefreisetzung.
Nach Bestimmung der Bedingungen für einen stabilen Betrieb der Reaktoren wird die Frage nach der Möglichkeit ihrer Steuerung und der Wahl geeigneter Mittel zur automatischen Steuerung entschieden.
Derzeit Blockpolymerisation von Styrol bis zur unvollständigen Umwandlung des Monomers in ein Polymer wird in einer Kaskade von Rührreaktoren nach zwei Optionen durchgeführt:
- in Abwesenheit von Lösungsmitteln;
- Verwendung von Lösungsmitteln.
Produktion Allzweck-Blockpolystyrol in Gegenwart von Ethylbenzol (15-20%) durchgeführt, dessen Anwesenheit im Verfahren die Wärmeabfuhr, den Betrieb von Geräten, insbesondere Pumpen, aufgrund einer Abnahme der Viskosität der Reaktionsmasse sowie die Prozesskontrolle erleichtert ein ganzes.
Unten sind Beschreibungen von technologischen Verfahren zum Erhalt von Allzweck-Blockpolystyrol.
Herstellung von Allzweck-Blockpolystyrol bis zum teilweisen Umsatz des Monomers in einer Rührreaktorkaskade
Das technologische Schema zur Herstellung von Allzweck-Blockpolystyrol in einer Kaskade von zwei Rührreaktoren ist das am weitesten verbreitete. Der Prozess beinhaltet Stufen:
- Herstellung von Ausgangsstyrol,
- Styrolpolymerisation in Reaktoren der 1. und 2. Stufe,
- Entfernung und Berichtigungnicht umgesetztes Monomer,
- Schmelzfärben von Polystyrol,
- Polystyrol-Granulierung,
- Verpackung und Verpackung von Polystyrolgranulat.
Das Schema zur Herstellung von Blockpolystyrol in einer Kaskade von Rührreaktoren ist in Abbildung 1 dargestellt.
Aus Behälter 1 Styrol wird kontinuierlich über eine Dosierpumpe zugeführt Reaktor der 1. Stufe, das ist ein vertikaler zylindrischer Apparat mit konischem Boden und einem Fassungsvermögen von 16 m 3 . Der Reaktor ist mit einem Blattrührer mit einer Drehzahl von 30-90 U/min. Polymerisation im Reaktor 1. Stufe 2 läuft auf Temperatur 110-130 °С Vor Conversions 32–45 % abhängig von der Marke des Produkts. Die Entfernung überschüssiger Reaktionswärme erfolgt aufgrund der Verdampfung eines Teils des Styrols aus der Reaktionsmasse.
Reaktor 2. Stufe 3 in Aufbau und Abmessungen ähnlich dem Reaktor der 1. Stufe, jedoch ausgestattet mit einem Bandrührer mit einer Drehzahl von 2-8 U/min. Dies gewährleistet eine effiziente Durchmischung von hochviskosen Reaktionsmedien. Die Polymerisation im Reaktor der 2. Stufe läuft bis zu 75- 88 % Umwandlungsraten bei Temperatur 135-160 °С abhängig von der Qualität des resultierenden Polymers.
Lösung von Polystyrol in Styrol aus dem Reaktor der 2. Stufe Entladepumpe 5 hinein serviert Vakuumkammer 6 durch ein mit Dampf erhitztes Rohr bei einem Druck von mindestens 2,25 MPa. Gleichzeitig passiert es Vorpolymerisation Styrol bis zu 90 % Konversionsrate.
Die Polystyrolschmelze tritt ein Vakuumkammer 6 mit Temperatur 180-200 °С. Im Rohr des Überhitzers der Vakuumkammer wird die Polystyrolschmelze erhitzt bis 240 °C und tritt in eine Hohlkammer mit einem Volumen von 10 m 3 mit einem Restdruck von 2,0-2,6 kN/m 2 ein. Dabei verdampft Styrol aus der Schmelze und der Gehalt an Restmonomer wird auf 0,1 - 0,3 % reduziert. Styroldämpfe werden zur Regeneration geschickt und dann zurückgeführt Kapazität 1.
Polystyrolschmelze aus Vakuumkammern 6 geht zu Extruder 7 und zum Granulieren.
Nach Erhalt von Allzweck-Polystyrol in Gegenwart von Ethylbenzol Letzteres wird in einem geschlossenen Kreislauf mit Styrol vermischt. Das Volumen der überschüssigen Reaktionswärme in den Vorrichtungen wird durch Verdampfen eines Teils von Styrol und Ethylbenzol unter Vakuum durchgeführt. Das verdampfte Gemisch kondensiert und kehrt in die Reaktionszone zurück. Um den normalen Betrieb der Rührer in den Polymerisatoren aufrechtzuerhalten, wird die Viskosität der Reaktionsmasse kontinuierlich überwacht. Die vorgegebene Viskosität wird automatisch durch Änderung der Zufuhr einer Mischung aus Styrol und Ethylbenzol eingehalten.
Beide Polymerisatoren arbeiten unter Vakuum, wobei die Prozesstemperatur bei schwankt 115-135 °С und 140-160 °С beziehungsweise. Polymergehalt in Reaktor der 1. Stufe erreicht 30-40% , in Reaktor der 2. Stufe - 65-70%. Die Lösung enthält 15-20% Ethylbenzol. Aus dem Reaktor der 2. Stufe gelangt die Polymerlösung in den Verdampfer, in dem ein Vakuum aufrechterhalten wird (Restdruck von ca. 2,6 kPa). Dämpfe von Styrol und Ethylbenzol werden entfernt und die Polymerschmelze wird im unteren Teil des Verdampfers gesammelt, von wo aus 200-230 °С zur Färbung und Granulation geschickt.
Dämpfe von Styrol und Ethylbenzol aus dem Verdampfer treten zur Reinigung in den Wäscher ein, kondensieren dann und kehren in den ursprünglichen Behälter von Styrol und Ethylbenzol zurück.
Somit unterscheidet sich das technologische Schema für die Herstellung von Allzweck-Blockpolystyrol unter Verwendung von Ethylbenzol in dem Verfahren nur von dem in Fig. 1 gezeigten technologischen Schema Wäscher und Styrol- und Ethylbenzol-Dampfkondensator.
Vergleichende Bewertung der Blockpolymerisation von Styrol mit vollständigem und unvollständigem Monomerumsatz
Das Verfahren der Blockpolymerisation von Styrol mit unvollständigem Monomerumsatz hat gegenüber dem Verfahren der Blockpolymerisation mit vollständigem Umsatz von Styrol eine Reihe von Vorteilen:
1) die Produktivität der Polymerisationseinheit wird aufgrund der Verkürzung der Polymerisationsdauer um mehr als das Zweifache erhöht, was zu einer Verringerung der Kapitalinvestitionen und Energiekosten führt;
2) Hardware-Design ermöglicht es Ihnen, die technologischen Parameter des Prozesses anzupassen und je nach den Anforderungen des Verbrauchers Produkte unterschiedlicher Qualität zu erhalten;
3) Polystyrol, das die Vakuumkammer verlässt, enthält weniger Restmonomer (bis zu 0,2 %) als das Produkt, das die Kolonne mit vollständigem Monomerumsatz verlässt (0,5 %).
Bei der Durchführung des Verfahrens mit unvollständigem Umsatz des Monomeren fallen jedoch unvermeidlich Abfallprodukte an - Styrol-Strippkondensate. Bei der Umsetzung einer großtechnischen Produktion wird der Einsatz von Strippkondensaten erforderlich. Bei einer Gesamtproduktionskapazität von 100-120.000 t/Jahr Polystyrol werden ca. 10-12.000 t/Jahr Strippkondensate gewonnen.
Die Verwertung von Strippkondensaten erfolgt in zwei Richtungen:
1) Reinigung von Strippkondensaten zur Gewinnung von Styrol in Standardreinheit (Rektifikation);
2) Polymerisation von destillierten Kondensaten, um Polystyrol von etwas schlechterer Qualität zu erhalten, das jedoch für die Herstellung von weniger kritischen Produkten verwendet werden kann. In der Branche entwickeln sich beide Richtungen.
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Aufgabe 449 (w)
Wie wird Styrol industriell hergestellt? Geben Sie das Schema seiner Polymerisation an. Zeichnen Sie lineare und dreidimensionale Strukturen von Polymeren anhand von Diagrammen.
Lösung:
Gewinnung und Polymerisation von Styrol
Die meisten Styrol(ca. 85 %) in der Industrie erhalten Dehydrierung m
Ethylbenzol bei einer Temperatur von 600-650°C, atmosphärischem Druck und 3- bis 10-facher Verdünnung mit überhitztem Wasserdampf. Es werden oxidische Eisen-Chrom-Katalysatoren mit Zusatz von Kaliumcarbonat verwendet.
Die andere industrielle Methode, mit der die restlichen 15 % gewonnen werden, ist die Dehydratisierung. Methylphenylcarbinol, entsteht bei der Herstellung von Propylenoxid aus Ethylbenzolhydroperoxid. Ethylbenzolhydroperoxid wird aus Ethylbenzol durch nichtkatalytische Luftoxidation gewonnen.
Schema der anionoiden Polymerisation von Styrol:
Polystyrol- thermoplastisches amorphes Polymer mit der Formel:
[CH 2 \u003d C (C 6 H 5) H] n------------> [-CH2-C(C6H5)H-] n
Styrol Polystyrol
Styrolpolymerisation tritt unter Einwirkung von Natrium- oder Kaliumamiden in flüssigem Ammoniak auf.
Polymerstrukturen:
Besonderheit lineare und verzweigte Polymere- Fehlen primärer (chemischer) Bindungen zwischen makromolekularen Ketten; zwischen ihnen wirken besondere sekundäre intermolekulare Kräfte.
Lineare Polymermoleküle:
Verzweigte lineare Moleküle:
Wenn ein makromolekulare Ketten durch chemische Bindungen miteinander verbunden sind, die eine Reihe von Querbrücken bilden (dreidimensionaler Rahmen), dann wird die Struktur eines solchen komplexen Makromoleküls als räumlich bezeichnet. Valenzbindungen in räumlichen Polymeren divergieren zufällig in alle Richtungen. Darunter sind Polymere mit einer seltenen Anordnung von Quervernetzungen. Diese Polymere werden Netzwerk genannt.
Dreidimensionale Strukturen von Polymeren:
Netzwerkstruktur des Polymers:
Polystyrol
Reis. 1. Lineare Struktur von Polystyrol
Polyorganosiloxan
Reis. 2. Dreidimensionale Struktur von Polyorganosiloxan
Synthetische Polymere
Im 20. Jahrhundert war das Aufkommen synthetischer hochmolekularer Verbindungen – Polymere – eine technische Revolution. Polymere werden in großem Umfang auf verschiedenen praktischen Gebieten verwendet. Auf ihrer Basis entstanden Materialien mit neuen, in vielerlei Hinsicht ungewöhnlichen Eigenschaften, die bisher bekannten Materialien deutlich überlegen sind.
Polymere sind Verbindungen, deren Moleküle aus sich wiederholenden Einheiten – Monomeren – bestehen.
bekannt natürliche Polymere . Dazu gehören Polypeptide und Proteine, Polysaccharide, Nukleinsäuren.
Synthetische Polymere erhalten durch Polymerisation und Polykondensation (siehe unten) von niedermolekularen Monomeren.
Strukturelle Klassifizierung von Polymeren
a) lineare Polymere
Sie haben eine lineare Kettenstruktur. Ihre Namen leiten sich aus dem Namen des Monomers mit dem Zusatz des Präfixes ab poly-:
b) Netzwerkpolymere:
c) vernetzte dreidimensionale Polymere:
Copolymerisation verschiedener Monomere ergibt Copolymere . Zum Beispiel:
Die physikalisch-chemischen Eigenschaften von Polymeren werden durch den Polymerisationsgrad (Wert n) und die räumliche Struktur des Polymers bestimmt. Sie können Flüssigkeiten, Gummis oder Feststoffe sein.
Feste Polymere verhalten sich beim Erhitzen anders.
Thermoplastische Polymere- Beim Erhitzen schmelzen sie und nehmen nach dem Abkühlen jede beliebige Form an. Dies kann beliebig oft wiederholt werden.
Duroplaste- Dies sind flüssige oder plastische Stoffe, die beim Erhitzen in einer bestimmten Form erstarren und beim weiteren Erhitzen nicht schmelzen.
Polymerbildungsreaktionen Polymerisation
Polymerisation ist die sequentielle Anlagerung von Monomermolekülen an das Ende einer wachsenden Kette. In diesem Fall sind alle Monomeratome Teil der Kette und es wird während der Reaktion nichts freigesetzt.
Um die Polymerisationsreaktion zu starten, ist es notwendig, die Monomermoleküle mit Hilfe eines Initiators zu aktivieren. Je nach Art des Initiators gibt es
Radikale
kationisch u
anionische Polymerisation.
Radikalische Polymerisation
Als Initiatoren der radikalischen Polymerisation werden Substanzen verwendet, die bei der Thermolyse oder Photolyse freie Radikale bilden können, meistens sind dies organische Peroxide oder Azoverbindungen, zum Beispiel:
Beim Erhitzen oder Bestrahlen mit UV-Licht bilden diese Verbindungen Radikale:
Die Polymerisationsreaktion umfasst drei Stufen:
Einleitung,
Kettenwachstum,
Kettenbruch.
Ein Beispiel ist die Polymerisation von Styrol:
Reaktionsmechanismus
a) Einleitung:
b) Kettenwachstum:
c) Leerlauf:
Am leichtesten verläuft die radikalische Polymerisation bei solchen Monomeren, bei denen die entstehenden Radikale durch den Einfluß von Substituenten an der Doppelbindung stabilisiert werden. In dem angegebenen Beispiel wird ein Rest vom Benzyltyp gebildet.
Durch radikalische Polymerisation entstehen Polyethylen, Polyvinylchlorid, Polymethylmethacrylat, Polystyrol und deren Copolymere.
Kationische Polymerisation
Die Aktivierung monomerer Alkene erfolgt dabei durch Protonensäuren oder Lewis-Säuren (BF 3 , AlCl 3 , FeCl 3 ) in Gegenwart von Wasser. Die Reaktion verläuft als elektrophile Addition an die Doppelbindung.
Zum Beispiel die Polymerisation von Isobutylen:
Reaktionsmechanismus
a) Einleitung:
b) Kettenwachstum:
c) Leerlauf:
Die kationische Polymerisation ist typisch für Vinylverbindungen mit elektronenspendenden Substituenten: Isobutylen, Butylvinylether, α-Methylstyrol.
