Химические аспекты инженерных пластиков. Часть 1

Химические процессы полимеризации разветвленных молекул значительно отличаются от химии более мелких молекул. Предполагается, что малые молекулы имеют одинаковую длину и одинаковую молекулярную массу. Молекулярная масса (MW) стирольного мономера составляет 104,15 г / моль, а пропиленового мономера – 42,08 г / моль. Для этих низкомолекулярных молекул MW = W / N, где W = общий вес образца и N = количество молей в образце. Молекулярные массы макромолекул и молекулярно-массовое распределение (MWD) зависят от условий полимеризации. Макромолекулы полидисперсны, то есть они имеют разную длину цепи и разную молекулярную массу даже будучи взятыми из одного и того же реактора полимеризации. Молекулярную массу макромолекулы определяют по среднечисловому (MWn) и средневесовому (MWw) методам.

Профессор Герман Штаудингер еще в 1920-х годах познакомил мир с макромолекулами, содержащими 10000 или более атомов. До его открытия считалось, что молекулярная масса не превышает нескольких тысяч атомов, а такие материалы, как целлюлоза и натуральный каучук, считаются комбинацией множества маленьких молекул. Молекулярную массу макромолекулы рассчитывают по различным параметрам, прежде всего как среднечисловую MWn и средневесовую MWw, используя различные уравнения. Двумя основными типами полимеризации для термопластов, включая конструкционные термопласты, являются поликонденсационная полимеризация и полимеризация с цепным ростом. Оба типа обычно могут давать линейные, разветвленные, сшитые, а также аморфные и полукристаллические и ароматические и алифатические полимеры.

Факторы, влияющие на скорость полимеризации и выход, достаточно многочисленны. Это молекулярные конфигурации в соответствии с указанными выше видами полимеров, типы полимеризации: поликонденсация (ступенчатый рост) или рост цепи (добавление), свободнорадикальный, ионный, раствор, включающий межфазный слой, эмульсию, суспензию, объем, непрерывный или периодический, а также трансплантат или твердое состояние. Также необходимо учитывать, мономеры, сомономеры, соотношение мономеров, инициаторы, катализаторы, цепные ограничители, нуклеирующие агенты для полукристаллических полимеров, молекулярную массу и молекулярно-массовое распределение. Наконец, еще одним важным фактором является удаление растворителя и удаление побочных продуктов для поликонденсационной полимеризации, такой как вакуумное удаление воды.

При поликонденсационной полимеризации два мономера объединяются с образованием димеров, тримеров, тетрамеров и высших олигомеров; и, наконец, полимеры плюс побочный продукт, который обычно представляет собой H2O либо HCl, NaCl, CH3OH или другие побочные продукты, которые могут образовываться вместо воды. Когда вместо двух мономеров используется один мономер, реакция представляет собой самополиконденсационную полимеризацию. Стехиометрия контролируется, когда два разных мономера полимеризуются, но стехиометрия обеспечивается самополиконденсацией. Большинство конструкционных термопластов могут быть получены поликонденсационной полимеризацией: ABS, PET, PBT, полиамиды (нейлон), поликарбонат, PAI, LCP, TPI, PEI, PPS, PPE, PSU и PAEK. Циклические, линейные, разветвленные и сшитые поликонденсационные полимеры получают с полифункциональными мономерами, такими как трифункциональные мономеры, для получения разветвленных полимеров.

Бифункциональные мономеры дают циклические и линейные полимеры. Когда кольцо содержит менее 5 атомов или более 7 атомов, полимер можно преобразовать в линейный. Поликонденсационная полимеризация может быть эндотермической или экзотермической реакцией. Молекулярная масса обычно составляет примерно от 2000 до 25000, что ниже, чем у полимеризации с ростом цепи. Полимеризация может занять до нескольких часов и более. Скорость реакции полимеризации увеличивается, когда побочным продуктом является вода, путем проведения полимеризации в вакууме для удаления воды. Следующие примеры иллюстрируют специфическую поликонденсационную полимеризацию: например, поликонденсационная полимеризация этиленгликоля плюс диметилтерефталат (ДМТ) с получением ПЭТ дает побочный продукт CH3OH.

Кристаллизация облегчается с помощью органических и неорганических зародышеобразователей, таких как органические зародышеобразователи, соли монокарбоновых кислот и поликарбоновых кислот, хлорбензоат натрия, динатрийтерефталат, дифениламин и эпоксиды, и неорганические зародышеобразователи: слюда, силикат, глина, оксид титана, оксид магния и триоксид сурьмы. Нуклеирующие агенты включают множество наполнителей и армирующих волокон, а также катализаторы остаточной полимеризации. Быстрое закаливание и твердофазная полимеризация (SSP) позволяют получить прозрачный аморфный ПЭТ, изготовленный методом выдувного формования. Соединения с более высокими молекулярными массами получаются твердофазной полимеризацией гранул.