Основные методы синтеза полимеров
В современной химии высокомолекулярные соединения, или полимеры, синтезируют двумя фундаментально разными способами: полимеризацией и поликонденсацией. Выбор метода определяет не только процесс производства, но и конечные свойства материала.
Полимеризация: рост цепи без побочных продуктов
Полимеризация — это процесс, при котором молекулы мономера соединяются друг с другом, образуя длинную полимерную цепь, без выделения каких-либо побочных низкомолекулярных веществ. Это означает, что химический состав макромолекулы полимера (например, полиэтилена или полипропилена) идентичен составу исходного мономера (этилена или пропилена). Наиболее распространенный механизм — цепная полимеризация, где молекулы мономера последовательно присоединяются к активному центру растущей цепи. Этот механизм позволяет получать полимеры с исключительно высокой молекулярной массой.
Классификация методов полимеризации
В зависимости от среды, в которой протекает реакция, различают четыре основных промышленных метода полимеризации, каждый из которых имеет свои преимущества и области применения.
1. Полимеризация в эмульсии
Это один из самых распространенных и эффективных методов. Мономер диспергируют в водной среде с добавлением специальных веществ — эмульгаторов, а также инициаторов и катализаторов. Образовавшаяся эмульсия обеспечивает высокую скорость реакции и позволяет получать полимеры с максимальной молекулярной массой. Таким способом производят поливинилхлорид (ПВХ), полистирол, полиакрилонитрил и различные синтетические каучуки на основе бутадиена.
2. Полимеризация в суспензии
В этом методе используются инициаторы, которые растворяются не в воде, а непосредственно в мономере. Образующийся полимер выпадает в осадок в виде мелких твердых частиц, что значительно упрощает его последующее отделение от реакционной среды и очистку. Так получают, например, полиэтилен высокой плотности (низкого давления), а также полистирол и поливинилацетат.
3. Полимеризация в растворе
Реакцию проводят в органическом растворителе. Существует два варианта: когда растворитель способен растворять как мономер, так и готовый полимер (этот подход широко используется для производства лаков и красок), и когда полимер в процессе синтеза выпадает в осадок, после чего его отфильтровывают. Примером второго варианта является производство поливинилацетата с использованием метанола.
4. Блочная полимеризация (в массе)
Этот метод отличается тем, что реакция протекает в чистом мономере без добавления растворителей или дисперсионных сред. Мономер с катализатором помещают в форму, где он и превращается в полимерный блок, лист или гранулы. Блочным методом производят полиэтилен низкой плотности (высокого давления), ударопрочный полистирол (АБС-пластик) и некоторые виды синтетических каучуков.
Поликонденсация: синтез с выделением побочных веществ
В отличие от полимеризации, процесс поликонденсации сопровождается выделением низкомолекулярных побочных продуктов, таких как вода, спирт или аммиак. Поэтому элементарный состав получаемого полимера всегда отличается от состава исходных мономеров. К полимерам, получаемым поликонденсацией, относятся высокопрочные и термостойкие материалы: фенолформальдегидные смолы (например, бакелит), полиэфиры, полиамиды (нейлон), эпоксидные смолы и полиуретаны. Изделия из таких пластмасс, как правило, формуют методом прессования. Они обладают повышенной термостабильностью и могут эксплуатироваться в более широком температурном диапазоне по сравнению со многими полимерами, полученными полимеризацией.